620v IGBT半桥式 MCU开环控制 紧密加速线圈炮测试更新:七级已破百
iSee2017/12/19电磁炮 IP:江苏
又加上了两级,现在是七级。本楼后面已加上测试结果和分析,中压600v级别测试到此顺利结束,今后不再新增更多级。

准备了两个月时间,期间烧掉了一堆IGBT和驱动芯片还有MCU,终于能够稳定下来了。
阵亡“将士”一览图:
20171219_005021.jpg
烧掉的IGBT、mcu、IGBT驱动芯片、快恢复二极管和一些高压电阻。
本来想做5级测试,手上管子不够了,正在快递中,等以后到了再补上5级的测试结果。
第一次做电磁炮,所以基本就是拿模拟器默认参数来用:
0.7mm线径,内径8.6mm,长度30mm320匝的线圈5个(最后一个未用),实际4级,间隔5mm亚克力板;
管材:外8.5内8.1,壁厚0.2mm的304不锈钢管;
弹丸:8*35mmA3定位销,13.8g;
MCU开环控制,IGBT半桥模式,工作电压620v-660v,根据模拟器测算的峰值电流是546.5A-581.8A。
电容:每级1450uf/700v,薄膜电容,内阻0.54mΩ,工作电压620v-660v,实测容量1440-1458uf。
IGBT: 标称600v、120a,峰值480A。实际使用因ZVS限制,最高上到660v,未烧管。
测速方式:示波器读取35mm长的弹丸通过光电的时间,根据V=L/T来计算。
线圈和弹丸情况(实际用了4级):
20171219_001843.jpg
4个30mm线圈120mm,间隔5mm,总长135mm。
控制板:随手拿的一块板子改的,利用了上面的稳压部分和MCU部分。最大的好处是4层镀金板,稳定性不错:
20171219_020516.jpg
实际测试情况:
20171219_003105_20171219010515.jpg
20171219_021310.jpg
发射后剩余电压:252v/358v/362v/335v
由图可见在622v的情况下,35mm弹丸通过时间是456us,换算成出口速度是
v=35/0.456=76.754m/s。
e=(35/0.456)^2*0.0138/2=40.65J
充能:1122J,剩余:315.55J,耗能:806.45J,综合效率:40.65/806.45=5.04%
视频比较和谐,就不发了。😀

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周一订的芯片终于到了,赶紧装上测试,优化了第五级的定时时间后,600v时的情况如下:
20171221_151736.jpg
一般在406-412us之间,平均按408us计算;
这样出口速度和动能的情况为:
v = 35/0.408 = 85.784m/s;
e = (35/0.408)^2*0.0138/2 = 50.776J。

剩余电压:237v,347v,348v,324v,323v;
充能:1305J,剩余:367.56J,耗能:937.44J,
能效:50.77/937.44 = 5.416%

目前线圈+隔板总长为:30*5+5*6 = 180mm。

五级的出速情况如下:
第一级平均速度:36.84m/s,9.36J,ΔE=9.36J,平均加速度22622.35
第二级平均速度:52.71m/s,19.17J,ΔE=9.81J,平均加速度23153.61
第三级平均速度:65.30m/s,29.42J,ΔE=10.25J,平均加速度23688.31
第四级平均速度:76.42m/s,40.29J,ΔE=10.87J,平均加速度24332.90
第五级平均速度:85.78m/s,50.77J,ΔE=10.48J,平均加速度24529.82
加速度确实可以保持在24000以上,还稍有提升。
这个加速度是否可持续是我最关心的一点😀

效率分析:
5级600v时的理论上限值:
     image.png
5级600v时的实测平均值:
    v = 35/0.408 = 85.784m/s
    效率 = 85.784/147.675 = 58.089%

以上分析表明了单片机+紧密型拓扑模式的可行性,同时也表明了线圈炮还能以很高的效率在较短的距离内实现高速度,特别重要的是在目前看来这样的加速度还是可持续的。而一旦线圈炮的这种高效拓扑模式被更多的人证实,那它的高效率、低损耗、基本免维护、无光、无声、极低的电磁辐射、可定向性等特性就会成为它极大的优势,绝不会仅仅只是个玩具。😀


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绕线圈什么的太累人,所以本来想这次实验做到5级就结束,但是看着数据又很心痒难耐,很想知道这样的加速度是否还能持续。再按目前的加速度情况计算了一下,如果还能持续的话7级速度能上百,比我计划的8级破百还少一级。正好这次买了7个电容,一咬牙还是把剩下那两个都拿出来堆上去,这就是所谓的“堆储能”吧。😂

先把控制板从五路改成七路。实在是没位置了,只能割铜箔再走飞线挤挤了。6mil(0.152mm)的线上动刀子加飞线。。。万幸这样细的线只要处理两条,别的就粗犷多了。
20171224_234628.jpg
板子改完再绕线圈,“工欲善其事,必先利其器”:
20171223_185109.jpg
20171223_230848.jpg
开始“堆”电容:
20171227_014858(0).jpg
7个1.9kg的巨无霸,总重13.3kg,加木板的底座和线圈,估计会上30斤,我表示搬不动了。。
不过好处是这么沉的几个大家伙压阵,测试的时候挺稳的。😂
相比之下,线圈小的可怜:
20171227_014440.jpg
黑压压的电容堆,一种压迫感油然而生。。。
搞定这一切花了我几天的时间,马上开始调试第六级和第七级。充能太狠了,一个7AH的电瓶明显不够用。
660v电压在做六级极限测试的时候上去过一次,为了测试最大反峰时候的可靠性,选择了的空载放电,安全通过。之后电瓶电压不够ZVS就上不去了,只能上到610-630左右。
610v下七级的最小时间值:
20171227_010946.jpg
常见的时间值:
20171227_010220.jpg
基本在342-346us之间,评估时按344us算。

出口速度和动能的情况为:
v = 35/0.344 = 101.74m/s;
e = (35/0.344)^2*0.0138/2 = 71.43J。

剩余电压: 262v,366v,370v,349v,364v,359v,363v
七级610v充能:1888.40J,剩余:619.47J,耗能:1268.93J
能效:71.43/1268.93 = 5.629%
跟5级时的能效相比有些微的提升。

7级610v的理论上限值:
image.png
7级610v时的实测平均值:101.74m/s

    归一化效益: 101.74/177.64 = 57.27%

比五级时稍有下降,可能跟五级时上限值是按600v时的电流计算,实际测试时电压在600v-620v之间不定有关,本次实际测试时基本都控制在了610v。

七级的出速情况如下:
第一级平均速度:36.84m/s,9.36J,ΔE=9.36J,平均加速度22622.35
第二级平均速度:52.71m/s,19.17J,ΔE=9.81J,平均加速度23153.61
第三级平均速度:65.30m/s,29.42J,ΔE=10.25J,平均加速度23688.31
第四级平均速度:76.42m/s,40.29J,ΔE=10.87J,平均加速度24332.90
第五级平均速度:85.78m/s,50.77J,ΔE=10.48J,平均加速度24529.82
第六级平均速度:94.08m/s,61.08J,ΔE=10.31J,平均加速度24589.38
第七级平均速度:101.74m/s,71.43J,ΔE=10.35J,平均加速度24647.33

动能继续在平稳增长、加速度继续稳定在24000以上。

目前线圈+隔板的总长度是: 30*7+5*8=250mm

直径8mm的定位销截面积0.5cm^2,按单位面积算为142.86J/cm^2;按体积计算是1.76cm^3,体积能量密度为40.6J/cm^3。

通过对国内外电磁加速器现状和实现方案的广泛收集和分析,结合理论推导和比较,精心选择出“600v级中压、IGBT半桥式”作为电磁炮模型的方案,再加上仔细的制作和调试,也感谢科创论坛的前辈们和先行者们积累的不少富有实践经验和理论推导的帖子,特别是“三水合番”提出的不少理论都很有参考和指导意义,所以作为刚接触电磁炮的新人才能顺利地在本次测试中取得了意料之外、但也是情理之中的成功,同时也收获了很多宝贵的知识和经验。我想我的600v级别的磁阻线圈加速器测试可以到此结束,终于可以轻松一下了。😂

题外话:在五级85m/s出速、50J的情况下,即使使用的是平头销,我手头1.5cm厚的木板也就跟豆腐一样。。。所以,在101m/s出速、71J下,真的是太不和谐了,得赶紧拆了。。。

[修改于 6年4个月前 - 2017/12/30 15:06:15]

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