浅谈电炮能量回收——斩波电路与绕组能量回收
王谷川
WangGC2022/05/08原创 电磁炮电气电工

fbp.png

最终拓扑镇楼


这是一篇没什么价值但较有意义的文章,笔者多次动笔又半途而废,终于打定主意要写下来,给大家做个参考。


这篇文章写了什么:本文对电炮绕组能量回收目的、类型原理进行了总结和分析,并介绍了一种分析、设计电炮功率回路的科学方法,通过实例展示了不同技术路线的产生。


写来做什么:本文旨在归纳现存的电炮能量回收拓扑,并讲明一些所有电炮爱好者应具备的常识以防爱好者重复造轮子,浪费宝贵的业余时间。并提供一种科学的分析方法,对有志于研究电炮技术的初级爱好者们提供设计思路科学思想


文章较长,请读者根据自己需要酌情阅读。


写在前面:

首先对本文中出现的一些名词做解释,以防误解和混淆。

电炮:文中特指具有绕组线圈、凭借电磁相互作用加速电枢的电磁炮种类

能量回收:指将电炮发射过程绕组线圈电感残余能量以电能-电能转化方式回收至储能器件的过程或行为

效率:主要指加速过程中电枢获得的能量加速耗费总能量的比值


让我们再达成一些共识:

共识1:电炮本质上是通过对绕组电流的控制间接控制线圈产生的磁场的性质,最终目的是提高电枢的动能

共识2:我们优化电炮电路拓扑和参数的宗旨是最少的投入,最高的输出。即在保证系统整体储能不变的前提下,以尽量低的成本增量,换取尽可能高的系统加速效率。(而不仅仅是追求最终速度和一昧堆储能)


文章中干货较多,但顾及受众规模,定量分析较少,理论推演居多。

若有读者读后认为这是在浪费自己的时间,请相信笔者绝无此意

文中若出现任何事实认识类错误,请立即联系作者进行修改。


下面让我们进入正题。

传统的无能量回收电炮功率回路如下(理论上图中IGBT可被替换为各类可控开关):

nor.png

结构简单,效果不错,且省钱


[重要问题1]它存在什么问题?

1.绕组同时存在于两个不同的电流回路,电流几乎不可控

2.绕组电流衰减速度慢,对部分类型的电炮有不利影响

3.半导体元件与绕组电流应力大,效率低下


[重要问题2]如何改进?

针对1:设计一个绕组不或不同时存在多个电流回路中的电路拓扑

针对2:使一个或一组完全可控的功率开关与绕组串联起来

针对3:降低电流值(及)电流在所有回路中存在的总时长


说得简单,但工程上貌似没那么好实现。让我们来分析一下。


该电路存在两个与绕组相关的电流回路:

  1. 绕组-开关-电容回路

  2. 绕组-二极管回路

其中回路1是必要的:

电炮本质上是通过对绕组电流的控制间接控制线圈产生的磁场的性质

那么,我们不妨先从回路2入手,看看能不能对其进行一些改动。


首先,发射过后,绕组内的电能是一定要被耗散或回收掉的。通常情况下,我们又不希望电容被反向充电。

所以我们通常为绕组电流提供另外一个电流回路,这个回路的特性决定了电感电流下降阶段的电流性质。出于对回路作用的考虑,这个回路中的电流通常是单向流动的


所以现在我们断开二极管的连接,电路暂时变成了这样:


fbe.png

共识2:我们优化电炮电路拓扑和参数的宗旨是最少的投入,最高的输出。即在保证系统整体储能不变的前提下,以尽量低的成本增量,换取尽可能高的系统加速效率

因此我们只讨论能量回收,这也是问题2、3的最好解决办法。

2.绕组电流衰减速度慢,对部分类型的电炮有不利影响
3.半导体元件与绕组电流应力大,效率低下


能量回收:指将电炮发射过程中绕组线圈电感残余能量以电能-电能转化方式回收至储能器件的过程或行为

那么,常规的、爱好者能轻易获取的、能快速充放电的储能元件只有电容和电感两种,而我们讨论的就是电感能量的回收,那么“将电感能量回收至电感中”爱好者语境下(指不使用超导材料)是没有意义的。那只有用电容了。

因此我们需要思考一下这个电容从哪来,应该怎么连接到电路里。



这是一根有用的分隔线,请务必记住它所在的位置


第一种想法自然是“直接接上”,于是就有了我们熟知的,托卡马克同学提出的“boost式”回收拓扑:

bst.png

这种拓扑与开关电源中应用的直流斩波升压拓扑完全一致,如果设计得当不需要外加任何组件


优秀设计参考:托卡马克:TK11 双路boost回收式电磁炮(效率超19%)

托卡马克在前期进行了仿真计算,对绕组与电容参数的匹配进行了优化,以至于电容能量几乎全部在发射过程中消耗掉,发射后电容电压较低,这又是优秀设计水平的另一种表现,此处按下不表。也因为这一点,单纯使用boost拓扑有使电解电容反向充电的风险,于是他在电容两端反向并联了二极管,使电路工作在“先boost后buck”的模式下。


继续:它存在什么问题?

1.电流下降率高了,但还是比较低

2.多级应用中不是问题的问题

bstfull.png

会导致不必要的额外损耗。

其实原理上问题不是很大,但如果想计算电路参数就会涉及复杂的电耦合关系以及非线性内容,使得科学严谨的参数化设计非常麻烦


再继续(如果还要继续的话):怎么改?

针对问题一,我们都知道电感电流的变化率是由其两端的电压决定的,有$$\frac{\mathrm{d} i}{\mathrm{d} t} = \frac{U}{L} $$

那么想要改变电流变化率,改电压就行了。

上图中,想要让电流下降的更快,显然需要提高右侧电容与左侧电容的压差,而左侧电容电压为零时显然有压差最大

那么就短路吧,加个二极管。

diode.png

这不是和托卡马克同学的电路一样了么...

显然这样不能达到使绕组左端与电容负端短路的设计目标。

于是给左侧电容加个开关吧:

bstq.png

行了,这个电路拓扑就“近乎是个完人”了,除了复杂且。但没得办法,这已经是最简单的电路了(不信的话可以尝试自己优化,我十分期待有人能够用一个更优秀更便宜的方案来打我脸,前提是要保证各级的独立性)。这种拓扑在多级应用时可以利用各级间的桥臂节点再进行一个“半桥回收式”的电路搭建,设计得当的话可以节约一半成本。

如果将二极管替换为另外一对开关形成“全桥”电路,则可以实现绕组电流的完全控制(大小和方向),在一些加速方式的应用中有奇效

这个电路拓扑和开关电源领域里的Boost-Buck拓扑长得一样,所以我管他叫“Boost-Buck式”,不知道有没有人之前发表过这种拓扑,如果有的话请指明发表人及发表刊物/帖子信息,我将尊重原命名


第一种的优化到此结束,大家可以跳到上一根分隔线处回顾一下上文内容。



下面开始讲第二种想法:

“如果我把能量回收到原来的电容呢?”

恭喜你,发现了另一条技术路线


通过分析电路电流的流向我们可以得知:

如果要实现这样的想法,我们需要的是一个整流器


于是就有了一个整流器:

fb.png

又是老熟人,“半桥式”拓扑

喜闻乐见:它存在什么问题?

1.电容放电后电压低,电流下降速度慢

就一个。


那么我们或许可以尝试外加一个电容:

fbq.png

并联增加了电容量,显然能使电容放电后的剩余电压高一些。

但电容值的增大将导致LC常数的增加,在高速发射装置的设计中不可取。

那把两个电容取消并联不就完了。

fbp.png

眼熟么?

bstq.png

至此第二种想法的优化完成了。



两种不甚相同的技术路线收敛至同一个优化结果,也许说明电炮电路拓扑的优化路径是有一定范式的。


(完)

[修改于 1个月24天前 - 2022/05/11 11:03:20]

+0.6  科创币    三水合番    2022/05/09 “下面让我们进入正题”之前竟然有600多个字
+0.5  科创币    zRed洲虹    2022/05/14 资瓷
来自:物理高能技术 / 电磁炮电气工程 / 电气电工严肃内容:专著/论述
5
 
12
440Nx
1个月26天前 修改于 1个月26天前
1楼

下面是一种改良方法,来自书呆子提出的:https://www.kechuang.org/t/87720

他的方法我也不知道用什么名字来形容,但是我改进了一下:

c12.png 图中元件型号参数随意选择,不具有参考性。

使用igbt控制通断,使用scr选择作用的线圈,两个电容互相构成boost回收电路。本质上是二相电机,若是单相则要在线圈上端增加一开关构成半桥。由于电枢运动迅速,二相可能来不及反应,可额外增加相数。igbt的驱动控制电路相当麻烦,因此若能复用开关,就能大大简化电路。

和传统的磁阻炮不同,复用开关和电容需要更大的容量和较低的电压,与高压小容量背道而驰。

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三水合番
1个月24天前 修改于 1个月24天前
2楼

用每级多一个悬浮的IGBT,以及剩余能量变多的代价,换关断时多几十v的压差,性价比有些过低了,不如做成普通的半桥。

半桥关断速度并不比boost慢,如果你把所有电容都并联起来的话。因为此时每级导通前后电容电压基本不变,所以关断时,线圈两端的“反向电压”约等于导通时的正向电压。普通boost的反向电压小于等于正向电压,这篇文章的拓扑反向电压等于正向电压,都不会比半桥更快,至少不会快许多。

而且追求关断速度本身意义就不大,因为关断不是越快越好。让线圈电流瞬间归零,效率是比相对缓慢下降更低的,可以参考这篇帖子:https://www.kechuang.org/t/82437 

效率最高的情况是:通过操纵各级线圈的电流,拟合出一个“截面是馒头形的线圈”,并让它始终在弹丸前方和弹丸保持相对静止。关断速度极快时,等效的是“方形的线圈”,效率并不是最高的。

另外,我觉得这种讲拓扑的文章,开篇第一张图就应该是最终的拓扑结构,这张图前面的字越少越好。相关的说明,和需要约定的共识,都应该放在这张图后面。至少不要像现在的顶楼那样,“下面进入正题”之前有600多字…

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机战王x
1个月24天前
3楼

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希望这个对你有帮助

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WangGC作者
1个月24天前 修改于 1个月24天前
4楼
引用三水合番发表于2楼的内容
用每级多一个悬浮的IGBT,以及剩余能量变多的代价,换关断时多几十v的压差,性价比有些过低了,不如做...

三水的评价对于磁阻应用来说是较为正确的,但未免有些保守。

所以这个回复的前半部分我们尚且讨论磁阻应用中的问题吧。

在这样看似理想化的前提下:

此时每级导通前后电容电压基本不变

由于爱好者制作对于成本和体积的要求,这样的情况在实际的磁阻应用中是不常出现的。

那么

这篇文章的拓扑反向电压等于正向电压,都不会比半桥更快

这样的结果往往不会出现。

另外,设计回路时显然不能只注意电流在关断过程中的变化。

“并联电容的半桥”相对于“boost及其衍生”结构的一大差异是全发射过程中各级分配到电压的变化趋势,前者是逐级下降的,而后者多是上升的。这一参数决定了后级绕组电流的上升速度,而不论电炮种类,绝大多数应用中都需要这一参数逐级递增,这对于当下我们追求的紧密加速、高出口动能都是有益的。虽然降低绕组电感和降低回路串联电阻也可以达成一样的结果,但往往会产生其他问题。

不同的设计会有不同的性能与成本要求,这一点上大家根据需要自行选择合适的结构即可。


最后,文章前部在明确讨论对象时,我把该文的讨论对象确定为所有“具有绕组线圈、凭借电磁相互作用加速电枢的电磁炮”,只不过举例时举了磁阻应用中的案例,也许造成了一些误解。

在另外一些加速拓扑中,电流的上升和下降率需求比磁阻要苛刻得多,说到这里或许就能明白我为什么需要最后这一种回路结构了。


最后的建议收到了,我尽快改进。

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三水合番
1个月24天前
5楼
引用WangGC发表于4楼的内容
三水的评价对于磁阻应用来说是较为正确的,但未免有些保守。所以这个回复的前半部分我们尚且讨论磁阻应用中...

在这样看似理想化的前提下:

此时每级导通前后电容电压基本不变

由于爱好者制作对于成本和体积的要求,这样的情况在实际的磁阻应用中是不常出现的。

这并不会需要很多额外的体积重量,毕竟现在的电磁炮又不会只做一级,做个比如10级,那把所有电容并在一起后,每级放电后的压差就已经很少了。

至于前级和后级的电压变化,这本身并不会因为“电流上升速度变低”而使电磁炮的性能变差,因为线圈炮的性能和电压是无关的,参考这篇帖子 https://www.kechuang.org/t/79380 

电压变化对性能的影响在于,浪费开关管的功率容量。


在另外一些加速拓扑中,电流的上升和下降率需求比磁阻要苛刻得多,说到这里或许就能明白我为什么需要最后这一种回路结构了。

你是想说感应炮吗?那种功率下,IGBT(或者更一般地,可关断的开关)本身就不合适了,更不用说带IGBT的拓扑了


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