一种低纹波输出的高效潜器用消磁电源和方法与流程

1.本发明属于磁隐身技术领域，具体涉及一种低纹波输出的高效潜器用消磁电源和方法。


背景技术：

2.舰船大量采用铁磁材料建造，在航行过程中，因地磁扰动、海水压力、铁磁设备运行等形成较为明显的磁特征，已成为敌水中磁性武器(如磁性水雷等)攻击的信号源及空中磁性探潜的探测源。
3.消磁系统是实现舰船磁隐身性能的关键装备，而消磁电源是消磁系统的重要组成部分，消磁系统依据舰船磁场状态控制消磁电源产生消磁电流，激励消磁绕组产生与舰船自身幅值相等、方向相反的磁场，降低舰船的磁场特征，实现磁隐身。
4.消磁电源是一种将舰船电能转换为消磁电流的电源类设备，与普通电源在电路结构组成、控制方式和输出范围等方面存在较大区别，并且由于潜航器的电制、供电能力和电磁兼容要求与水面舰船有较大区别，适用于潜器的消磁电源需要针对性设计。
5.由于潜器的供电能力有限，消磁系统作为水下长时使用设备，而且消磁电源通常工作于低负载状态，因此需要潜器的消磁电源有较高的电能转换效率。此外潜器结构紧凑，消磁绕组需要全船敷设，将不可避免临近敏感设备，为确保敏感设备不受干扰，需要潜器消磁电源输出低纹波。再者潜器采用直流幅压电网和交流电网，为降低交流电网的负荷，减少电网引入的干扰，消磁电源可以直接从幅压直流电网取电，但幅压直流电网电压波动范围大，如何实现直流幅压宽电压范围输入下的高效率也是难点之一。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：提供一种低纹波输出的高效潜器用消磁电源和方法，用于实现直流幅压宽电压范围输入下的高效率电能转换。
7.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种低纹波输出的高效潜器用消磁电源，包括主电路，用于将直流幅压电网电能转换为消磁电流；主电路包括依次连接的调压模块、逆变模块和极性变换模块；调压模块为输入级电路，采用boost电路结构，包括boost升压电感l1、mofet开关管q1、整流二极管d1、第一滤波电容c1；boost升压电感l1与mofet开关管q1串联，输入电压并联在boost升压电感l1与mofet开关管q1的串联电路两端，整流二极管d1与第一滤波电容c1串联，整流二极管d1与第一滤波电容c1的串联电路并联在mofet开关管q1的两端，第一滤波电容c1的两端输出输入级电压；逆变模块为中间级电路，包括依次连接的逆变桥、整流桥；逆变桥采用移向全桥结构，包括第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、第五开关管q5、谐振电感l2、第二钳位二极管d2、第三钳位二极管d3；第二开关管q2和第三开关管q3的串联电路、第二钳位二极管d2和第三钳位二极管d3的串联电路、第四开关管q4和第五开关管q5的串联电路分别并联在第一滤波电容c1的两端；谐振电感l2的一端连接第二开关管q2和第三开关管q3的连接点，谐振电感l2的另一端连接第二
钳位二极管d2和第三钳位二极管d3的连接点；第四开关管q4和第五开关管q5的串联电路的两端输出电压；第二开关管q2和第四开关管q4组成超前桥臂，第三开关管q3和第五开关管q5组成滞后桥臂，用于通过移相控制、谐振电感l2、第四开关管q4和第五开关管q5的并联电容的能量配合，实现第四开关管q4和第五开关管q5于一定负载范围内的zvs开通，降低开关损耗、改善电磁兼容性能；整流桥包括第四整流二极管d4、第五整流二极管d5、第六整流二极管d6、第七整流二极管d7、第三电感l3、第三滤波电容c3；第四整流二极管d4和第五整流二极管d5的串联电路、第六整流二极管d6和第七整流二极管d7的串联电路分别并联在第四开关管q4和第五开关管q5的串联电路两端；第三电感l3和第三滤波电容c3串联组成lc滤波电路并联在第六整流二极管d6和第七整流二极管d7的串联电路两端；第三滤波电容c3的两端输出中间级电压；极性变换模块为输出级电路，包括第六开关管q6、第七开关管q7、第八开关管q8、第九开关管q9；第六开关管q6和第七开关管q7的串联电路、第八开关管q8和第九开关管q9的串联电路分别并联在第三滤波电容c3的两端，组成全桥极性变换电路，用于实现输出电流的双向可控；还包括第四电感l4和第四滤波电容c4串联组成的lc滤波电路，一端连接第六开关管q6和第七开关管q7的连接点，另一端连接第八开关管q8和第九开关管q9的连接点，第四滤波电容c4的两端输出输出级电压，用于使电压的极性无缝切换，减少切换过程中电流的超调和振荡问题，降低主电路的输出纹波干扰和输出干扰。
8.按上述方案，逆变模块还包括隔离变压器；隔离变压器包括隔直电容c2、高频变压器t1；隔直电容c2的一端连接第二钳位二极管d2和第三钳位二极管d3的连接点，隔直电容c2的另一端连接高频变压器t1的初级线圈的一端；高频变压器t1的初级线圈的另一端连接第四开关管q4和第五开关管q5的连接点；高频变压器t1的次级线圈的一端连接第四整流二极管d4和第五整流二极管d5的连接点，高频变压器t1的次级线圈的另一端连接第六整流二极管d6和第七整流二极管d7的连接点；隔离变压器采用输出电流、输出电压和电感电流控制，用于实现中间级电路定频工作于谐振频率附近。
9.进一步的，调压模块的输入电压范围为直流380v～640v，输出电压为680v，开关频率为100khz，转换效率为95％，调压模块的boost变换功率为2.2kw，占空比调节范围为0.06～0.49；逆变桥的变换效率为98％，开关频率大于100khz，用于避开潜器敏感设备的工作频率，降低消磁电源的输出纹波，提高滤波效果；隔离变压器的变换效率为98％；极性变换模块的效率为98％。
10.按上述方案，还包括输入emi滤波器和输出emi滤波器，输入emi滤波器串联在直流幅压电网与主电路之间，输出emi滤波器串联在主电路与直流幅压电网之间，用于滤除纹波电压。
11.按上述方案，还包括控制电路、通讯调试接口和显示操作面板；控制电路用于接收上位机的控制指令，驱动控制主电路的各模块按控制指令输出消磁电流，同时采集监测各模块的工作状态并提示报警，实现通讯、状态监测和控制功能；通讯调试接口包括双路can接口和调试接口；双路can接口用于使控制电路与上位机通过can总线传输指令；调试接口用于进行单机调试；显示操作面板包括状态显示灯、输出状态屏、蜂鸣器、消音按键，分别用于显示状态、提示报警和消除报警。
12.进一步的，还包括辅助电源；辅助电源用于将直流幅压供电转换为
±
12v和
±
5v的直流供电电压供控制电路、通讯调试接口和显示操作面板使用，功率为20w。
13.一种低纹波输出的高效潜器用消磁方法，包括以下步骤：
14.s1：通过程序软启动高效潜器用消磁电源，上电进行开机自检；
15.s2：自检通过转为低功耗待机状态，等待上位机指令；
16.s3：收到上位机指令后开始工作，将直流幅压电网电能转换为消磁电流；
17.s4：状态显示灯在正常工作状态时为绿色，在错误状态时为红色；输出状态屏显示高效潜器用消磁电源的输出电压和电流测试值，在错误状态时显示错误代码；在错误状态时蜂鸣器报警，按下消音按键蜂鸣器停止报警。
18.本发明的有益效果为：
19.1.本发明的一种低纹波输出的高效潜器用消磁电源和方法，通过调压电路、逆变桥和极性变换的三重控制，实现消磁电源宽直流电压输入和高效率(≥91％)，并结合输入输出emi滤波器电路，实现低输出纹波(≤2％)，实现了直流幅压宽电压范围输入下的高效率电能转换。
20.2.本发明具有较高的电能转换效率(≥91％)，潜器在水下长时段使用本发明减少了潜器的能源消耗，提高了潜器的续航力。
21.3.本发明的消磁电源由直流电网供电，具有较低的输出纹波干扰(纹波系数≤2％)，使得消磁系统不会与潜器上的敏感设备造成干扰，提高了全船的电磁兼容性，潜器消磁绕组设计时不用避开敏感设备，降低了潜器消磁系统的设计难度，确保了潜器的磁隐形性能。
附图说明
22.图1是本发明实施例的原理框图。
23.图2是本发明实施例的主电路图。
24.图3是本发明实施例的emi滤波器电路图。
25.图4是本发明实施例的移相全桥电路的波形图。
26.图中：1.调压电路；2.逆变桥；3.隔离变压器；4.整流桥；5.输出极性变换电路。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.参见图1，本发明的实施例包括输入emi滤波器、输出emi滤波器、主电路、辅助电源、控制电路、显示操作面板、通讯和调试接口。
29.主电路为消磁电源电能转换的核心部分，用于实现直流幅压电网电能转换为消磁电流的功能。其电路结构为图2所示，序号
①
至
⑤
分别为调压电路、逆变桥、隔离变压器、整流桥和输出极性变换电路，分为输入级、中间级和输出级。通过调压电路、逆变桥和极性变换的三重控制，实现消磁电源宽直流电压输入和高效率(≥91％)，并结合输入输出emi滤波器电路，实现低输出纹波(≤2％)。
30.主电路输入级为调压电路，采用boost电路结构，l1为boost升压电感，q1为mofet开关管，d1为整流二极管，c1为滤波电容。为保证输入640v时最小占空比留有裕量，设计输出电压为680v，开关频率为100khz，变换器效率为95％，boost变换器的功率为2.2kw，占空比调节范围为0.06-0.49。输入级boost电路采用电压电流闭环控制，确保在直流电网380v～
640v的输入电压范围能稳定输出电压，转换效率达到95％，并确保中间级电路处于高效率工作状态，提高整体电路效率。
31.中间级由逆变桥、隔离变压器和整流桥组成，包含开关管q2～q5、谐振电感l2、隔直电容c2、钳位二极管d2和d3、高频变压器t1、整流二极管d4～d7和输出l3和c3滤波电路组成。其中逆变桥采用移向全桥结构，图4给出了采用移相控制实现全桥dc-dc电路的主要工作波形，从上至下依次为开关管驱动信号，谐振电感电流i
l2
，移相全桥原边桥臂中点电压v
ab
，整流桥输出电压v
rect
，其中q2和q4组成超前桥臂，q3和q5组成滞后桥臂，通过移相控制、谐振电感l2和开关管并联电容(或寄生电容)的能量配合，实现原边开关管于一定负载范围内的zvs开通，降低开关损耗，提高变换效率达98％，同时改善电磁兼容性能。隔离变压器根据输入电压、逆变桥的开关频率、谐振电感和负载电流等参数设计，尽量降低变压器漏感，减小磁性元件的体积与损耗。通过合理设计谐振参数和开关频率，采用输出电流、输出电压和电感电流控制，实现中间级电路定频工作于谐振频率附近，能在轻载状态下也具备较高效率，可达到98％。并且为降低消磁电源的输出纹波，逆变桥的开关频率设计为100khz以上，避开潜器敏感设备的工作频率，并且开关频率变高，也有利于滤波器的设计，提高滤波效果。
32.输出级包括全桥极性变换电路和lc滤波电路，由四个开关管(q6～q9)组成全桥电路，实现输出电流的双向可控；输出端接l4和c4组成的lc滤波电路，使电压的极性无缝切换，减少切换过程中电流可能出现的超调、振荡等问题，降低主电路的输出纹波干扰，提高输出级的效率达到98％，同时降低输出干扰。
33.辅助电源用于将直流幅压供电转变为可供消磁电源内部控制电路、风扇等设备的供电电源，供电电压
±
12v和
±
5v，功率约20w。
34.控制电路作为消磁电源的通讯、状态监测和控制中心，接收消磁电流控制仪的指令，驱动控制主电源各模块，按控制指令输出消磁电流，同时采集监测消磁电源各组成组成的工作状态，及时发现错误并提示报警。
35.消磁电源采用软启动的方式，没有开关机控制开关，上电即自动开机自检，自检通过转为低功耗待机状态，等待消磁电流控制仪的指令。消磁电源配备有消音按键，若自检报警时可以消音处理。消磁单元显示界面由状态显示灯和输出状态显示指示组成，状态显示灯在开机正常工作为绿色，错误时为红色，输出状态显示展示消磁电源的输出电压和电流测试值，在错误状态下显示错误代码。
36.消磁电源采用双路can接口作为通讯接口，消磁电流控制仪或上级控制设备可通过can网络传输指令控制消磁电源。此外消磁电源有调试接口，用于单机调试使用。
37.以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。