[连载]EP-65:一台高压电磁发射器是如何炼成的
WangGC2018/10/30电磁炮 IP:北京
引言

初入坑电炮时曾受@Ma3.02的守望YB-5的影响,计划做一台能够实用化、便携、性能优异的电炮,但因为对整个设计过程不甚了解,迟迟没有动手。后来在和@三水合番交流后得到很大鼓励,加之一段时间的学习中已经基本有了一些思路,遂下定决心,开始了EP60-EP65(EP为我的命名习惯,不代表一共有65个版本)工程。

预计的设计指标

由于走的是“实用、便携、性能优异可靠”的路线,也困于没有时间和设备加工,所以整个加速系统的大部分机械部件都将使用可以便捷购买的标准件,只是在此基础上做一些简单加工。

整体电子学结构为光电检测,为了安全和系统稳定性驱动-功率(强弱电)全部光-电/电-磁隔离,这样哪怕只有一级能够正常工作,弹丸也可以被发射。控制部分有简单的人机交互程序,能够反馈基本情况以及根据操纵者指令更改运行情况。开关采用IGBT并管。

机械结构最终测试完成后使用6061铝合金及环氧板做框架和内部系统绝缘隔离

为了能把电磁发射的优点最大化,我将其设计为可以单发/连射的两种模式,并且会在之后尝试使用各种手段将有效射程及精准度提高。

一些基本参数(预计):

电源:22.5v 6s 6Ah 30c Li-ion电池

加速级数:14

电容组电压:450v

总储能1kJ-1.5kJ(由于有关断,所以非一次性全部消耗)

期待初速:110m/s+

弹丸:ø6mm*25mm GB-119 #45钢制圆柱

加速管材:内径6.2mm壁厚0.3mm不锈钢管

线圈线材线径:0.8mm高温铜线

射速上限:120Rpm

此次技术难点主要在电容充电和缩短延迟上

120Rpm的射速即0.5s/发,是一个较快的速度了,这意味着至多需在0.5s内使电容电压升高至设定发射电压(可由操作者更改,最终体现于弹丸动能),假设发射后电容余电为220v,储能1.5kJ,则升压器的净输出功率须高达约2282W,折算效率若为85%则需约2685W输入功率,这意味着电池和开关管要承受的瞬态电流为170A左右。

预计初速破百,也就是1ms的延迟对应10cm的误差,所以想要高效率,高初速,必须要控制好系统的延迟,并适当加大各级间距,若效果不理想,可以尝试光电-单片机混合控制以增加精度。

关于连载

由于是学生党,所以可能更新不会很频繁,制作过程也会时快时慢,一期目标为搭建整体构架并完成全部上电测试,时间6-8个月(可能会附加一些调试电源的时间),二期目标为编写控制系统和外形设计,包括供弹系统,约4个月。一期期间基本保持周更,二期为有进展后更新。整体过程可能耗时1年至2年。

最后

希望最终这个工程能够完成各项指标,欢迎各位一起交流探讨,轻喷也是可以的2333

致谢@三水合番@Ma3.02的守望@虎哥@金坷居士@坚持and突破以及@rb-sama的支持和指导

[修改于 5年8个月前 - 2019/04/01 21:17:47]

+1  科创币    rb-sama    2019/04/19 优秀的设计
加载全文
来自:物理高能技术 / 电磁炮
56
6
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
{{notice.noticeContent}}
~~空空如也
1027lone
3个月19天前 IP:浙江
935053
引用rb-sama发表于43楼的内容
我说过你是个好同志,就是有点杠。我从来没想把你批倒批臭。之前电炮版选版主,我第一个推荐你。BCM是否...

小白挖一下坟,要是不合适请忽视,大佬这里说“功率定义为一秒的耗能,一秒内电流波形的包络等于功率”这里的电流波形包络应该不是电流峰值包络吧,应该是平均电流包络线吧。Bm可以等效为电流,同样的峰值电流,BCM模式下,ton时间内平均电流为峰值电流的一半,CCM模式下,ton时间内的平均电流是直流偏置加上1/2的纹波电流,理论上应该比BCM大吧。同理下面计算里,CCM模式传递的功率只考虑了变化分量传递的功率,没有考虑直流偏置传递的功率,我觉得直流分量部分应该也是传递功率的,因为它会提供一个更大的电流起点。不知道是否理解错误,错误的话请轻喷。

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
rb-sama
3个月11天前 修改于 3个月11天前 IP:湖北
935525
引用1027lone发表于51楼的内容
小白挖一下坟,要是不合适请忽视,大佬这里说“功率定义为一秒的耗能,一秒内电流波形的包络等于功率”这里...

好古老的挖坟,

image.png

“我觉得直流分量部分应该也是传递功率的,因为它会提供一个更大的电流起点。”

首先你的这个猜测是错误的,得益于AI问答工具的发达,这样的简单定义可以非常轻松取得。

-

正是变压器不传递直流分量能量,所以才会在同样损耗下,BCM单位时间比CCM传递更多能量。

或者反过来说,传递同样功率的情况,CCM无效电流更大,损耗也比BCM更大。

不知不觉时间过去了5年,理论和实践都有所更新了,

现在用于电炮的理想CCPS是基于初级倍频谐振软开关的推挽/全桥升压拓扑,

相比于反激拓扑需要受限于磁芯储能器件大小的正相关

正激双象限传递功率理论上只受到铜损和漏感尖峰大小影响,所以可以在非常小体积做出KW级的功率

三水大佬在推广该拓扑的过程中起到了非常重要的贡献,

同样我也叠个buf哈,

因为是技术交流,不存在喷,只有激烈与否,有交流才会有进步,欢迎提出自己的观点


引用
评论
1
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
1027lone
3个月5天前 IP:浙江
935918
引用rb-sama发表于52楼的内容
好古老的挖坟,“我觉得直流分量部分应该也是传递功率的,因为它会提供一个更大的电流起点。”首先你的这个...

纯粹的直流的确是无法通过变压器,但是CCM,比如说开通时电感电流从5A升到10A,那开通时间内平均电流肯定是7.5A,而不应该是2.5A吧?传递的能量肯定也是用7.5A去计算吧?

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
rb-sama
3个月4天前 修改于 3个月4天前 IP:湖北
936006
引用1027lone发表于53楼的内容
纯粹的直流的确是无法通过变压器,但是CCM,比如说开通时电感电流从5A升到10A,那开通时间内平均电...

NO 

反激CCM电流的底如果在I1=4A 顶是I2=10A,

那么4A的电感储能是一直储存在磁芯的,4-10A部分的电感储能才会被释放到次级负载

1/2*I1^2*Lpri-1/2*I2^2*Lpri =磁芯恒定储存的能量EL

换个说法,变压器作为储能载体,输入功率Pin+EL=Pout+EL这样才符合能量守恒定律,

-

进一步的,

为什么对于CCM初级和次级看起来电流中都有直流分量?难道不应该更低的峰值电流对应更高的积分

其实从Flyback的定义理解不难解开这种迷雾,

首先需要明确一个基础定义,Flyback的一切能量传输过程依赖于原边电压源给电感Lpri的励磁

对于CCM这种存在初始直流分量的拓扑,实际上在一个开关周期中,能量是没有得到完全释放的,

即使是在磁复位阶段,在磁芯中一直存在直流磁偏

-

/、和/\来代表电流上升和下降的过程,/、意味着迅速的磁复位,

我们来假设一个场景,对于一个可变的FLYBACK负载RL,输出电压VL会随RL变化而变化

定频定Ton恒压励磁,当电路处于DCM模式工作时,负载RL渐渐减小,这时候对功率的索取减小,

会发现DCM会渐渐变成了CCM,

image.png

在这丢一个仿真出来,可以复现我描述的这个过程,绿色是10R 褐色是100R

image.png

你会发现一个问题,对于同样情况下的变压器,CCM更高的峰值,更高的直流偏置

居然传递了比更低电流积分面积的DCM(图中已经接近BCM)更低的功率,看起来非常反直觉。

image.png

更进一步的,设置变压器的内阻10mR,可以仿真得出效率n=Pout/Pin

可以看到在负载电阻210R的位置效率曲线获得最大值,恰好此时电路工作于BCM临界模式,

这个结果和我之前的分析是吻合的,BCM比起CCM和DCM,

因为没有能量环流和过高峰值电路损耗在内阻上,BCM可以让反激变压器达到最佳利用率

模型里面忽略了磁损,实际上最大效率点会取在向DCM区偏移一点,不继续展开了,不然还能说很多

attachment icon DCMVSCCM.asc 1.07KB ASC 2次下载

仿真文件放在这了,

-

这个问题迷惑性确实不小,甚至有一部分网上评论对于CCM和DCM的评论都说是错误的,

这里面的关键就是CCM意味着更低的负载电压,也就是磁复位不彻底的状态。

虽然看起来CCM的副边电流更大,直流也被传输过去,但这种状态下VL一定是更低的。

同样DCM模式下,虽然磁复位完全,相比BCM模式下会产生励磁空挡,其实也会降低利用率

但只遵循变压器只传输交流分量的基础定义,就不会在这件事上犯迷糊了,如果觉得对你有帮助点个赞把🤣

引用
评论
7
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
12123
3个月2天前 IP:江苏
936153
引用rb-sama发表于54楼的内容
NO 反激CCM电流的底如果在I1=4A 顶是I2=10A,那么4A的电感储能是一直储存在磁芯的,4...

仿真有点问题,10R时输出电压太低了,导致有一半的功率损失在输出二极管上。

mmexport1724203422024.png

取二极管阳极电压计算功率(也就是二极管和输出电阻的总功率)就能看出来了。

这个是对应的RMS值。

mmexport1724203390498.png

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
rb-sama
3个月1天前 IP:湖北
936304
引用12123发表于55楼的内容
仿真有点问题,10R时输出电压太低了,导致有一半的功率损失在输出二极管上。取二极管阳极电压计算功率(...

image.png

设置语句.model MyDiode D(Ron=0.001 Roff=10Meg Vfwd=0V Vrev=400V )

可以轻松设置理想二极管导通内阻在1mR,或者0mR

image.png

功率损耗主要流失在MOS和线圈内阻,D1在低功率CCM条件下会让效率更低

这个也是在真实开关电源设计时候需要注意到的,不过D1的损耗相对功率增长较为线性,为Vfd*IL1,

不太影响最高效率点的位置,按仿真可见最高效率点依然在210欧负载附近取得,


引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

WangGC
进士 机友 笔友
文章
16
回复
206
学术分
0
2017/02/05注册,10天8时前活动

学生党一条 电炮 电子电气技术爱好者

主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:手机号
IP归属地:未同步
文件下载
加载中...
{{errorInfo}}
{{downloadWarning}}
你在 {{downloadTime}} 下载过当前文件。
文件名称:{{resource.defaultFile.name}}
下载次数:{{resource.hits}}
上传用户:{{uploader.username}}
所需积分:{{costScores}},{{holdScores}}下载当前附件免费{{description}}
积分不足,去充值
文件已丢失

当前账号的附件下载数量限制如下:
时段 个数
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 {{f.fileCount}}
视频暂不能访问,请登录试试
仅供内部学术交流或培训使用,请先保存到本地。本内容不代表科创观点,未经原作者同意,请勿转载。
音频暂不能访问,请登录试试
支持的图片格式:jpg, jpeg, png
插入公式
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
收藏
取消收藏
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
管理提醒
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}