專利名稱：具有超電容的組合直流斬波調(diào)速潛艇推進(jìn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
涉及一種潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)的直流斬波調(diào)速電路，它采用組合式的直流斬波裝置，帶有超電容組作為儲(chǔ)能和中間濾波元件，該裝置具有燃料電池的電壓和電流調(diào)節(jié)變換裝置。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的柴電潛艇多數(shù)采用如圖3所示的直流蓄電池組和電樞串并聯(lián)切換調(diào)速的電力推進(jìn)系統(tǒng)，其調(diào)速電路包括兩組蓄電池組，雙電樞，以及相應(yīng)的開關(guān)切換電路；當(dāng)電力推進(jìn)系統(tǒng)處于蓄電池并聯(lián)、電機(jī)雙電樞串聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)時(shí)，潛艇處于最低航速；當(dāng)電力推進(jìn)系統(tǒng)處于蓄電池組串聯(lián)、電機(jī)雙電樞串聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)時(shí)，潛艇處于中級(jí)航速；當(dāng)電力推進(jìn)系統(tǒng)處于蓄電池串聯(lián)、電機(jī)電樞并聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)，潛艇處于最高航速；通過開關(guān)切換可以使?jié)撏幱诘管嚭叫袪顟B(tài)。其缺點(diǎn)是，當(dāng)潛艇遇到某種緊急狀態(tài)需要以極限航速航行時(shí)，例如當(dāng)受到潛艇或深水炸彈攻擊時(shí)，需要以極限航速逃避潛艇或深水炸彈攻擊，現(xiàn)有技術(shù)依靠主電路的開關(guān)切換來改變蓄電池與電樞的串、并聯(lián)方式來調(diào)節(jié)潛艇航速，此過程會(huì)給系統(tǒng)帶來短暫并且巨大的沖擊電流，從圖9可以充分地了解切換開關(guān)引起的電流沖擊。結(jié)合附圖4可以看出，蓄電池組在不同的放電率情況下的工作狀態(tài)曲線有巨大的差異，其放電時(shí)間隨放電率增大而迅速減小。因此，開關(guān)切換產(chǎn)生的沖擊電流限制了潛艇的水下的機(jī)動(dòng)能力與水下航程，其次，直流開關(guān)切換滅弧過程困難，產(chǎn)生的電磁噪音大，使?jié)撏菀妆┞赌繕?biāo)。依靠直流開關(guān)切換調(diào)速方式會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題，即強(qiáng)大的沖擊電流所造成的鉛酸蓄電池放電能力劇烈下降和電磁噪音對(duì)系統(tǒng)的干擾。對(duì)于依靠開關(guān)切換的潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)，其速度調(diào)節(jié)是固定的三級(jí)調(diào)速，不能實(shí)現(xiàn)速度平滑調(diào)節(jié)，在水下的機(jī)動(dòng)性比較差。同時(shí)，對(duì)于開關(guān)切換調(diào)速的電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，其另外的缺點(diǎn)是無法采用燃料電池系統(tǒng)來直接驅(qū)動(dòng)潛艇的直流電機(jī)。針對(duì)直流系統(tǒng)的缺點(diǎn)，目前，潛艇調(diào)速系統(tǒng)趨向于采用交流傳動(dòng)系統(tǒng)，如德國著名的U212系列潛艇采用了PERMASYN稀土永磁同步電機(jī)和交流變頻技術(shù)作為潛艇的電力推進(jìn)系統(tǒng)，其推進(jìn)性能優(yōu)異，可以采用AIP燃料電池系統(tǒng)。但是，該項(xiàng)技術(shù)成本高昂，一般只適合于全新制造的新式潛艇。對(duì)于大量的仍然采用直流開關(guān)切換有級(jí)調(diào)速的潛艇直流電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，無法直接采用該項(xiàng)技術(shù)。因此，采用一種能夠直接改造現(xiàn)有的有級(jí)調(diào)速潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)的新技術(shù)，該技術(shù)至少能保留原有的直流電機(jī)，使其具有連續(xù)調(diào)速能力和優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能的技術(shù)方案是有著很好的技術(shù)價(jià)值的，直流斬波調(diào)速系統(tǒng)目前也在潛艇的電力推進(jìn)系統(tǒng)中有所應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)仍然存在許多缺點(diǎn)，例如其在蓄電池電壓一定的情況下無法進(jìn)一步提高潛艇的水下極限速度；無法有效地吸收潛艇的減速制動(dòng)能量等，限制了其在潛艇中的應(yīng)用。因此，研究一種更加新型的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)是十分必要的。例如在2003年11月18日公告的美國專利PatentNoUS 6,650,091，High current pulse generator提出了一種裝置，通過把超電容進(jìn)行串并聯(lián)的技術(shù)方案，由蓄電池給超電容進(jìn)行供電，在尖峰脈沖情況下由超電容提供脈沖能量，在輕負(fù)載情況下，由蓄電池供電。但是，該項(xiàng)專利沒有涉及采用一種將超電容組的整體電壓升高，同時(shí)，超電容組的放電電流保持恒定，充分利用電容的儲(chǔ)能來提高系統(tǒng)的極限功率的裝置，與此同時(shí)，又能充分控制蓄電池本身的放電電流，以保障蓄電池的放電能力。
另外在2004年12月28日公告的美國專利Patent NoUS 6,836,097 b2，Power Supply for Pulsed Load提出了一種裝置，把蓄電池和超電容進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行，在尖峰脈沖情況下由超電容提供脈沖能量，在輕負(fù)載情況下，由蓄電池供電。但是，該項(xiàng)專利沒有涉及采用一種裝置將超電容的電壓升高，充分利用電容的儲(chǔ)能來提高系統(tǒng)的極限功率，同時(shí)，又能充分控制蓄電池的放電電流，以保障蓄電池的放電能力。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出的潛艇組合直流斬波調(diào)速電力推進(jìn)系統(tǒng)方案所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠消除強(qiáng)大的沖擊電流所造成的鉛酸蓄電池放電能力劇烈下降和電磁噪音對(duì)系統(tǒng)的干擾問題的電力推進(jìn)裝置；能夠在蓄電池電壓一定的情況下進(jìn)一步提高潛艇的水下極限速度，同時(shí)保障蓄電池的放電能力不被削弱的技術(shù)方案；能夠有效地吸收潛艇的減速制動(dòng)能量，提高潛艇水下的機(jī)動(dòng)能力；該裝置需要解決燃料電池系統(tǒng)由于電壓不穩(wěn)定，電池的工作特性比較軟，無法直接驅(qū)動(dòng)潛艇的直流電機(jī)的問題；該裝置能保留原有的直流電機(jī)，盡可能地降低電力推進(jìn)系統(tǒng)改造地成本。
為解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明，提供一種潛艇電力推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，其中包括啟動(dòng)緩沖電路，用于限制啟動(dòng)時(shí)蓄電池組的放電電流；升壓斬波電路，用于提高四象限直流斬波器的輸出電壓和提高推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；超電容組，用于提供魚雷極限航速所需電能和對(duì)母線電壓進(jìn)行濾波；兩個(gè)四象限直流斬波器，用于驅(qū)動(dòng)直流推進(jìn)電機(jī)；主電路控制單元，用于控制組合斬波器組的工作；所述的組合直流斬波調(diào)速裝置，一個(gè)啟動(dòng)緩沖電路，連接在蓄電池組的輸出端，用于限制潛艇啟動(dòng)時(shí)的電路電流，一個(gè)直流升壓斬波電路，連接在所述啟動(dòng)緩沖電路和燃料電池的輸出端，其能夠在不同的運(yùn)行區(qū)域，工作在不同的狀態(tài)，保障了超電容電壓在特定的運(yùn)行區(qū)域高出蓄電池的電壓，一個(gè)超電容器組，連接在直流升壓斬波器的輸出端，用來預(yù)先儲(chǔ)存潛艇極限航速時(shí)所需的電能，兩個(gè)四象限直流斬波器，連接在所述直流升壓斬波電路、超電容器組的輸出端，能夠輸出電壓和電流連續(xù)可調(diào)的直流電，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流推進(jìn)電機(jī)工作，一個(gè)主電路控制單元，通過讀取轉(zhuǎn)速信號(hào)，超電容電壓信號(hào)，電機(jī)電流信號(hào)，斬波器電流信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算，輸出四路控制信號(hào)，分別去驅(qū)動(dòng)所述的兩個(gè)四象限斬波器，直流升壓斬波器，啟動(dòng)緩沖電路工作，該裝置通過提高潛艇直流推進(jìn)系統(tǒng)的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)提升潛艇在短時(shí)間內(nèi)的極限速度，在潛艇的極限速度時(shí)，蓄電池組仍工作在恒流放電模式，維持蓄電池組的放電電流在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述的魚雷推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，由預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件和切換開關(guān)相互鎖定，檢測到超電容尚未建立直流電壓時(shí)，切換開關(guān)斷開，預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件工作，以小電流恒流斬波方式向超電容充電，避免過大的沖擊電流，此時(shí)，電容電壓給定值為VDC*與電壓變流器測得的實(shí)際值VDC進(jìn)行偏差運(yùn)算，其結(jié)果輸入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI運(yùn)算，其結(jié)果為恒流斬波直流電流給定值IL*，該值與電流變送器檢測的實(shí)際電流值IL進(jìn)行偏差運(yùn)算，輸入到PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算，輸出值與PWM驅(qū)動(dòng)器相連接得到直流PWM斬波電壓控制信號(hào)，用來控制預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件輸出的電壓和電流的大小，直到超電容的電壓值預(yù)充到足夠的水平，這時(shí)，裝置中的開關(guān)閉合，PWM波形發(fā)生器被置0，預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件停止工作，切換開關(guān)合閘，其中，預(yù)充電電路中采用小容量IGBT。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述的魚雷推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，當(dāng)系統(tǒng)在燃料電池工作情況下，切換開關(guān)斷開且PWM驅(qū)動(dòng)器置0，燃料電池運(yùn)行切換開關(guān)合閘，升壓斬波電路工作，將燃料電池不穩(wěn)定而且外特性很軟的直流電壓泵升到超電容內(nèi)，建立一個(gè)直流電壓特性很硬的恒壓源，提供給四象限直流斬波器用來驅(qū)動(dòng)直流推進(jìn)電機(jī)。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述的魚雷推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，在潛艇正常巡航工作期間，此時(shí)，升壓斬波開關(guān)器件不工作，蓄電池直接通過續(xù)流二極管給超電容組和四象限直流斬波器供電，推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行于給定轉(zhuǎn)速ω*，該給定值ω*與轉(zhuǎn)速傳感器測得的實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速值ω進(jìn)行偏差運(yùn)算，運(yùn)算值送入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果是直流電流的給定值Ia1*、Ia2*，把該電流給定值與電流變送器測得的實(shí)際直流電流值Ia1、Ia2進(jìn)行偏差運(yùn)算，該偏差值送入PI調(diào)節(jié)器，其輸出值是直流電壓的給定值U1*和U2*，再把該直流電壓給定值進(jìn)行運(yùn)算處理，其輸出值分別與對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)器相連接，得到直流的PWM斬波電壓控制信號(hào)，用該控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)四象限直流斬波器就得到輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述的魚雷推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，當(dāng)預(yù)估潛艇某一階段需要工作于極限航速時(shí)，裝置中的開關(guān)打開，升壓斬波開關(guān)器件開始工作，升壓斬波開關(guān)器件的電壓給定為VDC*與電壓變送器測得的實(shí)際值進(jìn)行比較，把該偏差值送入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算，其輸出值是直流電流的給定值IL*，把該直流電流給定值與電流變送器測得的實(shí)際電流值進(jìn)行偏差運(yùn)算送入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行處理，其輸出值是直流電壓的給定值VC*，再把該直流電壓給定值進(jìn)行運(yùn)算處理，使運(yùn)算所得值與PWM驅(qū)動(dòng)器相連接，PWM驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生升壓斬波控制信號(hào)，把該控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)升壓斬波開關(guān)器件，就得到電壓可以調(diào)節(jié)的直流電，按照直流電壓給定值，給超電容組進(jìn)行升壓斬波充電，由于電容儲(chǔ)能W＝CU2/2以電壓的平方值增長，因此超電容可以在較短時(shí)間通過電壓上升儲(chǔ)存較多能量，同時(shí)，超電容的電壓要超過蓄電池的相當(dāng)?shù)谋壤?，以保持升壓斬波器的正常工作狀態(tài)，即使在直流母線電壓有波動(dòng)的情況下，四象限直流斬波器(3)，(4)仍可通過調(diào)整輸出電壓的占空比，維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，當(dāng)潛艇需要運(yùn)行在極限速度狀態(tài)時(shí)，四象限直流斬波器工作在電流最大穩(wěn)態(tài)輸出區(qū)域，此時(shí)，升壓斬波器的開關(guān)器件仍然處于升壓斬波狀態(tài)，由于超電容電壓變化過大，升壓斬波系統(tǒng)由直接給定電壓VDC*變換為直接給定電流IDL*，升壓斬波器轉(zhuǎn)入恒流工作狀態(tài)。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述的魚雷推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，超電容組在電路中作為直流電壓儲(chǔ)能和濾波裝置，超電容組是采用串并聯(lián)連接方法的超電容器組，其單個(gè)超電容的結(jié)構(gòu)為電化學(xué)電容器的其中一種，包括雙電層電容器(Electric double layer capacitor)和贗電容器(Pesudocapacitor)等具有超大電容量值的電化學(xué)電容器。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述的魚雷推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，預(yù)充電恒流斬波電路，全控升壓斬波開關(guān)器件和兩個(gè)四象限直流斬波器的控制部分均采用獨(dú)立的控制通道，其控制器和PWM發(fā)生器是通過中央處理器(CPU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或嵌入式控制器(ARM)或大規(guī)模可編程邏輯門陣列(FPGA、CPLD)執(zhí)行實(shí)施運(yùn)算的操作。
采用了本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)后，由于采用了超電容進(jìn)行能量儲(chǔ)存，可以在短時(shí)間內(nèi)有效地提高潛艇運(yùn)行的極限速度；同時(shí)又能夠防止強(qiáng)的暫態(tài)沖擊電流對(duì)鋁-氧化銀等類型的電化學(xué)蓄電池組造成的沖擊，從而有效地保障蓄電池組的放電能力，在大電流放電情況下，電池組基本放電容量保持在恒流放電的能力水平上。
采用本發(fā)明的組合直流斬波調(diào)速系統(tǒng)可以大范圍的調(diào)速運(yùn)行，其減速增程技術(shù)有效地延長潛艇的航程，降低了電磁噪音。
采用了本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)后，由于采用了超電容進(jìn)行能量儲(chǔ)存，可以在短時(shí)間內(nèi)有效地提高潛艇運(yùn)行的極限速度；同時(shí)又能夠防止強(qiáng)的暫態(tài)沖擊電流對(duì)鋁-氧化銀等類型的電化學(xué)蓄電池組造成的沖擊，從而有效地保障蓄電池組的放電能力，在大電流放電情況下，電池組基本放電容量保持在恒流放電的能力水平上，同時(shí)，采用超電容和升壓斬波器后可以克服鋁-氧化銀在大電流放電時(shí)的劇烈下降特性，最高航速可以由21kn，提高到25kn。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有超電容的潛艇直流推進(jìn)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的具有超電容的潛艇直流推進(jìn)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的組合斬波調(diào)速裝置的控制線路框圖。
圖4是現(xiàn)有潛艇技術(shù)推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖5是常規(guī)的蓄電池組不同放電率時(shí)放電電壓與放電時(shí)間的關(guān)系曲線圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的組合斬波調(diào)速裝置超電容電壓波形變化圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的組合斬波調(diào)速裝置母線電流波形圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的組合斬波調(diào)速系統(tǒng)潛艇電樞電流波形變化圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的組合斬波調(diào)速系統(tǒng)潛艇航速圖。
圖10是現(xiàn)有潛艇技術(shù)調(diào)速系統(tǒng)潛艇推進(jìn)電機(jī)電樞電流變化波形圖。
圖11是現(xiàn)有潛艇技術(shù)調(diào)速系統(tǒng)潛艇航速圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施里采用推進(jìn)電機(jī)參數(shù)為電樞電阻Ra＝0.0038977Ω，電樞電感La＝0.0014H，勵(lì)磁繞組電阻Rf＝0.11175Ω，勵(lì)磁繞組與電樞繞組之間的互感Laf＝0.00515H，超電容C＝1500F。
本發(fā)明所述的組合直流斬波調(diào)速其原理是利用可關(guān)斷器件IGBT的可控性和可關(guān)斷性，周期性地快速通、斷IGBT，把直流電壓源斬成一系列脈充電壓，控制脈沖的導(dǎo)通比實(shí)現(xiàn)其輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)，它可以調(diào)節(jié)輸出的直流電壓，即可以降壓斬波，也可以升壓斬波。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)再生制動(dòng)，把電能回饋給超電容器，其降壓斬波輸出電壓平均值推導(dǎo)如下Us=1T∫0TEsdt=1T∫0tonEs=tonTUs=αUs---(1)]]>式中α-IGBT的導(dǎo)通比α=tonT=tonton+toff---(2)]]>Ua——負(fù)載電壓(V)Us——直流蓄電池組的電壓(V)ton—IGBT的開通時(shí)間(s)toff——IGBT的關(guān)斷時(shí)間(s)T——T＝ton+toff(3)改變導(dǎo)通比α，就可改變電機(jī)端電壓平均值Ua，從而調(diào)節(jié)電樞繞組的端電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。這樣，對(duì)于預(yù)充電IGBT開關(guān)(3)與續(xù)流二極管(10)配合協(xié)同工作，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)于超電容的小電流恒流預(yù)充電的過程。
在正常的潛艇運(yùn)行工作狀態(tài)下，超電容的輸出電壓Us與潛艇的鉛酸蓄電池的電壓接近，只相差續(xù)流二極管7引起的PN結(jié)管壓降，以避免開關(guān)損耗，此時(shí)超電容輸出電壓為下列公式Us≈E (4)在升壓斬波工作階段，超電容的輸出電壓的公式可以表示為Us=11-α1E---(5)]]>其中升壓斬波器的占空比α1＜1，因此，Us＞E。
綜上所述，本發(fā)明提出了組合直流斬波控制方式，解決了開關(guān)切換中的噪音問題，又為了解決沖擊電流蓄電池影響，又在電路加入具有超電容儲(chǔ)能和濾波電路，超電容儲(chǔ)能和濾波電路、直流斬波預(yù)充電電路、直流斬波升壓充電電路與直流斬波轉(zhuǎn)速控制電路，配合工作。在潛艇正常巡航工作期間，升壓斬波電路不工作，以節(jié)省電池能量，而在預(yù)估需要最高速度運(yùn)行時(shí)，升壓斬波電路開始工作，給超電容進(jìn)行升壓充電，由于電容儲(chǔ)能W＝CU2/2以電壓的平方值增長，因此超電容可以在較短時(shí)間通過電壓上升儲(chǔ)存較多能量，在升壓斬波充電過程中，直流斬波預(yù)充電電路工作，盡可能使蓄電池處于恒流放電狀態(tài)，潛艇在緊急狀態(tài)時(shí)，由于超電容儲(chǔ)存有相當(dāng)多的能量，同時(shí)其電容電壓要高于蓄電池相當(dāng)?shù)谋壤?，因此可以使?jié)撏е绷魍七M(jìn)電機(jī)得到比蓄電池直接供電更高的轉(zhuǎn)速，有效地提高潛艇的極限速度，同時(shí)也不會(huì)對(duì)蓄電池產(chǎn)生過大的電流沖擊，從而有效地保障蓄電池組的放電能力，直流斬波電機(jī)調(diào)速電路對(duì)所加電壓進(jìn)行斬波，調(diào)節(jié)潛艇運(yùn)行在期望的航速，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。潛艇直流斬波系統(tǒng)在燃料電池工作情況下，升壓斬波電路工作，將燃料電池不穩(wěn)定而且外特性很軟的直流電壓泵升到超電容內(nèi)，從而建立以一個(gè)直流電壓特性很硬的恒壓源。
參見圖2，圖2是根據(jù)本發(fā)明的具有超電容的潛艇直流推進(jìn)組合斬波裝置結(jié)構(gòu)原理圖，本裝置是由有超電容組14、直流電感9和續(xù)流二極管13組成的直流斬波升壓斬波器53，由預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件6和續(xù)流二極管7組成的預(yù)充電恒流斬波電路8，超電容組14的兩端與四象限直流斬波器3，4的輸入端相連。
潛艇啟動(dòng)前，當(dāng)蓄電池組剛開始接入系統(tǒng)時(shí)，檢測到超電容尚未建立直流電壓時(shí)，切換開關(guān)5斷開，預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件6工作，直到超電容的電壓值預(yù)充到足夠的水平，這時(shí)，裝置251中的開關(guān)閉合，PWM波形發(fā)生器21被置0，預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件6停止工作，切換開關(guān)5合閘。
當(dāng)系統(tǒng)在燃料電池工作情況下，切換開關(guān)5斷開且PWM驅(qū)動(dòng)器21置0，燃料電池運(yùn)行切換開關(guān)10合閘，升壓斬波電路工作，將燃料電池不穩(wěn)定而且外特性很軟的直流電壓泵升到超電容內(nèi)，建立一個(gè)直流電壓特性很硬的恒壓源，提供給四象限直流斬波器3、4用來驅(qū)動(dòng)直流推進(jìn)電機(jī)2。
在潛艇正常巡航工作期間，此時(shí)，升壓斬波開關(guān)器件12不工作，蓄電池直接通過續(xù)流二極管13給超電容組14和四象限直流斬波器3、4供電。
當(dāng)預(yù)估潛艇某一階段需要工作于極限航速時(shí)，裝置252中的開關(guān)打開，升壓斬波開關(guān)器件12開始工作，按照直流電壓給定值，給超電容組14進(jìn)行升壓斬波充電。
當(dāng)潛艇需要運(yùn)行在極限速度狀態(tài)時(shí)，四象限直流斬波器3，4工作在電流最大穩(wěn)態(tài)輸出區(qū)域，此時(shí)，升壓斬波器的開關(guān)器件12仍然處于升壓斬波狀態(tài)，升壓斬波系統(tǒng)由直接給定電壓VDC*變換為直接給定電流IDL*，升壓斬波器12轉(zhuǎn)入恒流工作狀態(tài)，此時(shí)，蓄電池組工作在恒流放電模式，使蓄電池組的放電電流維持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，從而有效地保障蓄電池組的正常放電容量。
參見圖5，圖5是常規(guī)的蓄電池組不同放電率時(shí)放電電壓與放電時(shí)間的關(guān)系曲線圖，描述了蓄電池以0.1C0(其中C0為蓄電池的有效安時(shí)數(shù))時(shí)，蓄電池組能放電12小時(shí)，而當(dāng)以1.0C0放電時(shí)，蓄電池的放電時(shí)間為15分鐘，可以看出電池的放電率過大時(shí)，其有效安時(shí)數(shù)變小，可見強(qiáng)的暫態(tài)沖擊電流引起鋁-氧化銀等類型的電化學(xué)蓄電池組在短時(shí)間內(nèi)放電能力大幅度降低，蓄電池的這種特性影響了現(xiàn)有電力推進(jìn)潛艇的靈活性和射程，而采用本發(fā)明后，在潛艇提速時(shí)，啟動(dòng)預(yù)充電電路，超電容充電到足夠的電壓時(shí)，潛艇進(jìn)入極限速度工作狀態(tài)，由超電容為潛艇直流推進(jìn)電機(jī)提供能量，滿足潛艇升速所需的短時(shí)高電壓，蓄電池仍維持工作在穩(wěn)定電流狀態(tài)，有效地保障蓄電池組的正常放電容量。此外，參見圖9，圖11是根據(jù)本發(fā)明的組合斬波調(diào)速系統(tǒng)，現(xiàn)有潛艇調(diào)速系統(tǒng)航速對(duì)比圖，通過對(duì)比可以看出，采用超電容和組合直流斬波調(diào)速時(shí)潛艇的極限航速能夠達(dá)到25kn以上，而采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)直流推進(jìn)電機(jī)的潛艇極限航速只能達(dá)到21kn。
因此，電機(jī)極限速度得到了有效的提高，從而提高了潛艇的極限運(yùn)行速度，克服了傳統(tǒng)蓄電池組、電樞串并聯(lián)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)以及修改。而且，本發(fā)明并不限于上述詳細(xì)的說明以及實(shí)施形態(tài)。因此，在不背離本發(fā)明的精神以及所附權(quán)利要求的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)行各種各樣的變換。
權(quán)利要求
1.一種用于潛艇電力推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，包括一個(gè)啟動(dòng)緩沖電路(8)，用于限制啟動(dòng)時(shí)蓄電池組的放電電流；一個(gè)升壓斬波電路(53)，用于提高四象限直流斬波器的輸出電壓和提高推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；一個(gè)超電容組(14)，用于提供魚雷極限航速所需電能和對(duì)母線電壓進(jìn)行濾波；兩個(gè)四象限直流斬波器(3)，(4)，用于驅(qū)動(dòng)直流推進(jìn)電機(jī)；一個(gè)主電路控制單元(54)，用于控制組合斬波器組的工作；其特征在于一個(gè)啟動(dòng)緩沖電路(8)，連接在蓄電池組(1)的輸出端，用于限制潛艇啟動(dòng)時(shí)的電路電流，一個(gè)直流升壓斬波電路(53)，連接在所述啟動(dòng)緩沖電路和燃料電池的輸出端，其能夠在不同的運(yùn)行區(qū)域，工作在不同的狀態(tài)，保障了超電容電壓在特定的運(yùn)行區(qū)域高出蓄電池的電壓，一個(gè)超電容器組(14)，連接在直流升壓斬波器的輸出端，用來預(yù)先儲(chǔ)存潛艇極限航速時(shí)所需的電能，兩個(gè)四象限直流斬波器(3)，連接在所述直流升壓斬波電路、超電容器組的輸出端，能夠輸出電壓和電流連續(xù)可調(diào)的直流電，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流推進(jìn)電機(jī)工作，一個(gè)主電路控制單元(54)，通過讀取轉(zhuǎn)速信號(hào)，超電容電壓信號(hào)，電機(jī)電流信號(hào)，斬波器電流信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算，輸出四路控制信號(hào)，分別去驅(qū)動(dòng)所述的兩個(gè)四象限斬波器，直流升壓斬波器，啟動(dòng)緩沖電路工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的潛艇電力推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，其特征在于，預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件(6)和切換開關(guān)(5)相互鎖定，當(dāng)蓄電池組剛開始接入系統(tǒng)時(shí)，檢測到超電容尚未建立直流電壓時(shí)，切換開關(guān)(5)斷開，預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件(6)工作，此時(shí)，電容電壓給定值為VDC*與電壓變流器(32)測得的實(shí)際值VDC進(jìn)行偏差運(yùn)算，其結(jié)果輸入PI調(diào)節(jié)器(27)進(jìn)行PI運(yùn)算，其結(jié)果為恒流斬波直流電流給定值IL*，該值與電流變送器(20)檢測的實(shí)際電流值IL進(jìn)行偏差運(yùn)算，輸入到PI調(diào)節(jié)器(26)運(yùn)算，輸出值與PWM驅(qū)動(dòng)器(21)相連接得到直流PWM斬波電壓控制信號(hào)，用來控制預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件(6)輸出的電壓和電流的大小，直到超電容的電壓值預(yù)充到足夠的水平，這時(shí)，裝置(25:1)中的開關(guān)閉合，PWM波形發(fā)生器(21)被置0，預(yù)充電恒流斬波開關(guān)器件(6)停止工作，切換開關(guān)(5)合閘，其中，預(yù)充電電路中采用小容量IGBT。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的潛艇電力推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，其特征在于，當(dāng)系統(tǒng)在燃料電池工作情況下，切換開關(guān)(5)斷開且PWM驅(qū)動(dòng)器(21)置0，燃料電池運(yùn)行切換開關(guān)(10)合閘，升壓斬波電路工作，將燃料電池不穩(wěn)定而且外特性很軟的直流電壓泵升到超電容內(nèi)，建立一個(gè)直流電壓特性很硬的恒壓源，提供給四象限直流斬波器(3)，(4)用來驅(qū)動(dòng)直流推進(jìn)電機(jī)(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的潛艇電力推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，其特征在于，在潛艇正常巡航工作期間，升壓斬波開關(guān)器件(12)不工作，蓄電池直接通過續(xù)流二極管(13)給超電容組(14)和四象限直流斬波器(3)，(4)供電，推進(jìn)電機(jī)(2)運(yùn)行于給定轉(zhuǎn)速ω*，該給定值ω*與轉(zhuǎn)速傳感器(19)測得的實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速值ω進(jìn)行偏差運(yùn)算，運(yùn)算值送入PI調(diào)節(jié)器(30)進(jìn)行PI運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果是直流電流的給定值Ia1*、Ia2*，把該電流給定值與電流變送器(20)測得的實(shí)際直流電流值Ia1、Ia2進(jìn)行偏差運(yùn)算，該偏差值送入PI調(diào)節(jié)器(31)，其輸出值是直流電壓的給定值U1*和U2*，再把該直流電壓給定值進(jìn)行運(yùn)算處理，其輸出值分別與PWM驅(qū)動(dòng)器(23)，(24)相連接，得到直流的PWM斬波電壓控制信號(hào)，用該控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)四象限直流斬波器(3)，(4)就得到輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的潛艇直流斬波調(diào)速電力推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)預(yù)估潛艇某一階段需要工作于極限航速時(shí)，裝置(25:2)中的開關(guān)打開，升壓斬波開關(guān)器件(12)開始工作，升壓斬波開關(guān)器件(12)的電壓給定為VDC*與電壓變送器(32)測得的實(shí)際值進(jìn)行比較，把該偏差值送入PI調(diào)節(jié)器(29)進(jìn)行運(yùn)算，其輸出值是直流電流的給定值IL*，把該直流電流給定值與電流變送器測得的實(shí)際電流值進(jìn)行偏差運(yùn)算送入PI調(diào)節(jié)器(28)進(jìn)行處理，其輸出值是直流電壓的給定值VC*，再把該直流電壓給定值進(jìn)行運(yùn)算處理，使運(yùn)算所得值與PWM驅(qū)動(dòng)器(22)相連接，PWM驅(qū)動(dòng)器(22)產(chǎn)生升壓斬波控制信號(hào)，把該控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)升壓斬波開關(guān)器件(12)，就得到電壓可以調(diào)節(jié)的直流電，按照直流電壓給定值，給超電容組(14)進(jìn)行升壓斬波充電。
6.根據(jù)權(quán)力要求1的潛艇電力推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，其特征在于，當(dāng)潛艇需要運(yùn)行在極限速度狀態(tài)時(shí)，四象限直流斬波器(3)，(4)工作在電流最大穩(wěn)態(tài)輸出區(qū)域，此時(shí)，升壓斬波器的開關(guān)器件(12)仍然處于升壓斬波狀態(tài)，升壓斬波系統(tǒng)由直接給定電壓VDC*變換為直接給定電流IDL*，升壓斬波器(12)轉(zhuǎn)入恒流工作狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)力要求1的潛艇電力推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，其特征在于，超電容組(14)在電路中作為直流電壓儲(chǔ)能和濾波裝置，超電容組(14)是采用串并聯(lián)連接方法的超電容器組，其單個(gè)超電容的結(jié)構(gòu)為電化學(xué)電容器的其中一種，包括雙電層電容器(Electric double layer capacitor)和贗電容器(Pesudocapacitor)等具有超大電容量值的電化學(xué)電容器。
8.根據(jù)權(quán)力要求1的潛艇電力推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，其特征在于，預(yù)充電恒流斬波電路(8)，全控升壓斬波開關(guān)器件(12)，和兩個(gè)四象限直流斬波器(3)，(4)的控制部分均采用獨(dú)立的控制通道，其控制器和PWM發(fā)生器是通過主電路控制單元例如中央處理器(CPU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或嵌入式控制器(ARM)或大規(guī)?？删幊踢壿嬮T陣列(FPGA、CPLD)執(zhí)行實(shí)施運(yùn)算的操作。
全文摘要
一種用于潛艇電力推進(jìn)的組合直流斬波調(diào)速裝置，包括一個(gè)啟動(dòng)緩沖電路(8)，用于限制啟動(dòng)時(shí)蓄電池組的放電電流；一個(gè)升壓斬波電路(53)，用于提高四象限直流斬波器的輸出電壓和提高推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；一個(gè)超電容組(14)，用于提供魚雷極限航速所需電能和對(duì)母線電壓進(jìn)行濾波；兩個(gè)四象限直流斬波器(3)，(4)，用于驅(qū)動(dòng)直流推進(jìn)電機(jī)；一個(gè)主電路控制單元(54)，用于控制組合斬波器組的工作，采用了本發(fā)明的裝置后，有效地保障蓄電池組的放電能力，在大電流放電情況下，電池組基本放電容量保持在恒流放電的能力水平上，可以在短時(shí)間內(nèi)有效地提高潛艇運(yùn)行的極限速度。
文檔編號(hào)H02P1/54GK1665121SQ20041006038
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月31日
發(fā)明者王曉雷, 陳旭, 李憲普, 付邦勝 申請(qǐng)人:中原工學(xué)院