一种适用于低频电磁发射系统的虚拟电容串联调谐装置的制作方法

本申请涉及低频电磁发射，更具体地，涉及一种适用于低频电磁发射系统的虚拟电容串联调谐装置。

背景技术：

1、低频电磁发射系统包括正弦波激励电流源、串联调谐装置、发射天线等。高压电容器组，作为串联调谐装置的重要组成部分，串联连接在正弦波激励电流源与发射天线之间，其作用是利用串联调谐装置构建串联谐振状态以抵消发射天线阻抗的感性分量，从而降低正弦波激励电流源的输出电压应力，更好的利用正弦波激励电流源的最大功率输出能力。

2、目前，受限于电容器材料与工艺水平，串联调谐装置内部需串并联多只电容器，以提升高压电容器组的耐压能力与通流能力。在实际应用中，串联调谐装置需根据工作频率点、串联调谐所需容值、工作电流等条件，配置高压电容器组的连接状态。

3、但是，在串联调谐装置内部串并联多只电容器的调谐方式，存在以下缺陷：在工作频率点较多时，高压电容器数量需求庞大，且安置空间需求巨大；工作频率点调整时，固定的高压电容器组较难以满足调谐需求，需配置额外的电容器组，这样会增加额外的成本。

技术实现思路

1、为了解决串联调谐装置内的高压电容器用量庞大、适配工作频率点不灵活的问题，本发明提供了一种适用于低频电磁发射系统的虚拟电容串联调谐装置。本装置根据低频电磁发射系统的工作频率点、工作电流、发射天线电抗等信息，灵活调整虚拟电容串联调谐装置的输出电压波形，满足了虚拟串联调谐装置灵活适配不同工作频点下低频电磁发射系统调谐需求。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种适用于低频电磁发射系统的虚拟电容串联调谐装置，该装置包括多个串联连接的虚拟电容串联调谐模块，虚拟电容串联调谐模块包括短接开关、接入开关、单相耦合变压器、单相全桥和支撑电容；支撑电容连接单相全桥的直流侧，单相全桥的交流侧连接单相耦合变压器的副边，单相耦合变压器的原边通过接入开关串联接入低频电磁发射系统；串联调谐模块接入低频电磁发射系统的位置并联短接开关，接入开关和短接开关用于配合控制虚拟电容串联调谐模块接入和切出低频电磁发射系统。

3、进一步地，单相全桥包括两电平单相全桥或多电平单相全桥。

4、进一步地，在单相全桥为两电平单相全桥的情况下，单相全桥包括两个h桥，每个h桥包括串联连接的两个二极管和串联连接的两个开关，支撑电容包括串联连接的两个支撑电容，串联连接的两个开关的中点连接单相耦合变压器的副边，串联连接的两个二极管和串联连接的两个支撑电容并联。

5、进一步地，虚拟电容串联调谐装置的等效电容为：

6、，

7、其中，为低频电磁发射系统的工作电流有效值，为虚拟电容串联调谐装置的输出电压有效值，为低频电磁发射系统的工作频率。

8、进一步地，虚拟电容串联调谐装置的输出电压有效值的最大值由低频电磁发射系统的工作电流有效值、低频电磁发射系统的发射天线的等效电感分量决定。

9、进一步地，在虚拟电容串联调谐装置的输出电压有效值达到最大值时，虚拟电容串联调谐装置的等效电容为：

10、，

11、其中，为发射天线的等效电感分量。

12、进一步地，虚拟电容串联调谐装置的工作电流相位超前其输出电压相位90°，虚拟电容串联调谐装置的输出电压相位与低频电磁发射系统的发射天线的等效电感分量的电压相位相差180°，虚拟电容串联调谐装置的输出电压相位与发射天线的等效电感分量的电压相位的和为零。

13、按照本发明的第二个方面，还提供了一种虚拟电容串联调谐装置的控制系统，包括控制模块和上述的虚拟电容串联调谐装置，控制模块包括：

14、锁相环，用于对单相耦合变压器的副边电流进行锁相；

15、相位延迟模块，用于将锁相环的输出进行π/ 2相位延迟，延迟得到的相位作为相位基准；

16、第一电压控制器，其输入为支撑电容的电压与支撑电容的电压基准的差值，其输出为相位调节量；相位调节量与相位基准叠加得到单相全桥调制波相位；

17、第二电压控制器，其输入为单相全桥的输出电压有效值与单相全桥的输出电压有效值参考值的差值，其输出为调制比，调制比作为单相全桥调制波调制比；

18、正弦信号生成模块，用于根据单相全桥调制波相位和单相全桥调制波调制比，生成虚拟电容串联调谐模块的单相全桥调制波。

19、虚拟电容串联调谐装置的控制系统还包括调制模块，调制模块包括三角波发生器和比较器；三角波发生器的路数为2n，各路输出的三角波波形相同、相位相差360°/2n，n为虚拟电容串联调谐装置所包括的虚拟电容串联调谐模块的数量；比较器的数量和三角波发生器的路数相同，每个比较器对应三角波发生器的一路，用于将单相全桥调制波分别与三角波发生器的各路输出的三角波进行电压比较，输出虚拟电容串联调谐模块的输出电压。

20、进一步地，调制模块采用单极倍频调制，单相全桥包括第一h桥和第二h桥，第一h桥包括两个第一开关，第二h桥包括两个第二开关，两个第一开关和两个第二开关组成单相全桥的开关，每个比较器对应三角波发生器的一路，用于将单相全桥调制波分别与三角波发生器的各路输出的三角波进行电压比较，输出虚拟电容串联调谐模块的输出电压，包括对于三角波发生器的任一路输出的三角波，与该三角波对应的比较器用于将单相全桥调制波分别与第一三角波和第二三角波进行电压比较，第一三角波为三角波发生器的任一路输出的三角波本身，第二三角波为与第一三角波波形相同、相位相差180°的三角波；

21、当单相全桥调制波的电压幅值大于第一三角波的电压幅值时，控制第一h桥的输出电压为高电平；当单相全桥调制波的电压幅值小于第一三角波的电压幅值时，控制第一h桥的输出电压为低电平，第一h桥的输出电压为串联连接的两个第一开关的中点和串联连接的两个支撑电容的中点之间的电压；

22、当单相全桥调制波的电压幅值大于第二三角波的电压幅值时，控制第二h桥的输出电压为低电平；当单相全桥调制波的电压幅值小于第二三角波的电压幅值时，控制第二h桥的输出电压为高电平，第二h桥的输出电压为串联连接的两个第二开关的中点和串联连接的两个支撑电容的中点之间的电压；

23、将第一h桥的输出电压减去第二h桥的输出电压，得到单相全桥的输出电压，将单相全桥的输出电压与单相耦合变压器变比相乘，输出虚拟电容串联调谐模块的输出电压。

24、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

25、（1）本发明提供的一种适用于低频电磁发射系统的虚拟电容串联调谐装置，适用于低频电磁发射系统，实现了虚拟电容串联调谐装置与发射天线等效电感分量的串联谐振，降低了正弦波激励电流源的输出电压应力。

26、（2）采用虚拟电容串联调谐装置，可根据低频电磁发射系统的工作频率点、工作电流、发射天线电抗等信息，灵活调整虚拟电容串联调谐装置的输出电压波形，满足虚拟串联调谐装置灵活适配不同工作频点下低频电磁发射系统调谐需求。

技术特征：

1.一种适用于低频电磁发射系统的虚拟电容串联调谐装置，其特征在于，所述装置包括多个串联连接的虚拟电容串联调谐模块，所述虚拟电容串联调谐模块包括短接开关、接入开关、单相耦合变压器、单相全桥和支撑电容；

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单相全桥包括两电平单相全桥或多电平单相全桥。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在单相全桥为两电平单相全桥的情况下，所述单相全桥包括两个h桥，每个h桥包括串联连接的两个二极管和串联连接的两个开关，所述支撑电容包括串联连接的两个支撑电容，所述串联连接的两个开关的中点连接所述单相耦合变压器的副边，所述串联连接的两个二极管和所述串联连接的两个支撑电容并联。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述虚拟电容串联调谐装置的等效电容为：

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述虚拟电容串联调谐装置的输出电压有效值的最大值由所述低频电磁发射系统的工作电流有效值、所述低频电磁发射系统的发射天线的等效电感分量决定。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述虚拟电容串联调谐装置的输出电压有效值达到最大值时，所述虚拟电容串联调谐装置的等效电容为：

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述虚拟电容串联调谐装置的工作电流相位超前其输出电压相位90°，所述虚拟电容串联调谐装置的输出电压相位与所述低频电磁发射系统的发射天线的等效电感分量的电压相位相差180°，所述虚拟电容串联调谐装置的输出电压相位与所述发射天线的等效电感分量的电压相位的和为零。

8.一种虚拟电容串联调谐装置的控制系统，包括控制模块和如权利要求1-7任一项所述的虚拟电容串联调谐装置，其特征在于，所述控制模块包括：

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括调制模块，所述调制模块包括三角波发生器和比较器；所述三角波发生器的路数为2n，各路输出的三角波波形相同、相位相差360°/2n，n为所述虚拟电容串联调谐装置所包括的虚拟电容串联调谐模块的数量；所述比较器的数量和所述三角波发生器的路数相同，每个比较器对应所述三角波发生器的一路，用于将所述单相全桥调制波分别与所述三角波发生器的各路输出的三角波进行电压比较，输出所述虚拟电容串联调谐模块的输出电压。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述调制模块采用单极倍频调制，所述单相全桥包括第一h桥和第二h桥，所述第一h桥包括两个第一开关，所述第二h桥包括两个第二开关，所述两个第一开关和所述两个第二开关组成所述单相全桥的开关，所述每个比较器对应所述三角波发生器的一路，用于将所述单相全桥调制波分别与所述三角波发生器的各路输出的三角波进行电压比较，输出所述虚拟电容串联调谐模块的输出电压，包括：

技术总结本申请涉及低频电磁发射技术领域，为解决串联调谐装置内的高压电容器用量庞大、适配工作频率点不灵活的问题，公开了一种适用于低频电磁发射系统的虚拟电容串联调谐装置。该装置包括多个串联连接的虚拟电容串联调谐模块，虚拟电容串联调谐模块包括短接开关、接入开关、单相耦合变压器、单相全桥和支撑电容；支撑电容连接单相全桥的直流侧，单相全桥的交流侧连接单相耦合变压器的副边，单相耦合变压器的原边通过接入开关串联接入低频电磁发射系统，串联调谐模块接入低频电磁发射系统的位置并联短接开关，接入开关和短接开关用于配合控制虚拟电容串联调谐模块接入和切出低频电磁发射系统。本装置能灵活适配低频电磁发射系统的工作频率点及谐振状态。技术研发人员：王亚维,熊桥坡,刘勇,刘庆,查明,罗志清,马思源受保护的技术使用者：武汉船舶通信研究所（中国船舶集团有限公司第七二二研究所）技术研发日：技术公布日：2024/7/15