26 Май 2008, Dmitriy @ 18:11
Пришло время решить вопрос с системой питания которая способна была бы за 20-40 секунд накачать энергию вот в такую батарею конденсаторов.
Батарея содержит 20 штук конденсаторов ELZET 4700 µF на 400V и вмещает 7770 Дж энергии при напряжении 820 вольт. Таким образом требовался конвертор мощностью около 300-400 ватт. Отличительной особенностью такого конвертора является работа в режиме перегрузки и практически короткого замыкания по выходу, когда батарея конденсаторов полностью разряжена. И если для большинства систем питания режим заряда фильтрующих емкостей является переходным, то для данного случая — это основной режим работы конвертора. С топологией конвертора вопросов не возникло — только push-pull может обеспечить возгонку из аккумуляторных 12-ти в 820В да при мощности 400 ватт. Также надо было сделать рекуператор, который бы разряжал батарею конденсаторов обратно в аккумулятор. Для систем RailGun это совершенно необходимо как с точки зрения экономии громадного количества энергии, так и с точки зрения безопасности транспортировки и хранения.
После полутора месяцев напряженной работы на свет родились 2 версии push-pull насосов и одна версия рекуператора.
На фото с вентиляторами — это push-pull насосы, внизу — рекуператор. Оба насоса могли работать некоторое время на режиме короткого замыкания выхода, от моментального пробоя ключей спасала надежная защита по току, а тепловой пробой не успевал наступить, так как тестовая батарея конденсаторов достаточно быстро заряжалась. Один насос показал мощность 300 Ватт на резистивной нагрузке и около 200 при зарядке конденсаторов, а второй (справа) выдал 480 ватт на резистивную нагрузку и около 300 на емкостную. Позже был сделан 3-ий вариант насоса, который выдал 500 ватт на резисторе и также около 300 на емкость. В нем был введен еще канал регулировки по входному напряжению. Он мог работать со слабыми и подсевшими аккумуляторами ограничивая свою прожорливость и не допуская просадки аккумулятора ниже 11 вольт.
Рекуператор был реализован с топологией полумоста и имеет 2 канала регулировки, необходимых для зарядки аккумуляторов — по выходному напряжению (не более 14-ти вольт) и по току. Изначально, конверторы были упакованы в такие аккуратные корпуса.
Когда же настало время провести испытания на боевой батарее с емкостью 7.77 КДж, то выяснилась неприятная вещь, что системы охлаждения ключей в виде двух радиаторов от старых процессоров может и нехватить для надежного охлаждения ключей. Режим перегрузки уж слишком затягивался и радиаторы успевали сильно нагреться, по крайней мере руку было уже не комфортно держать на радиаторе. Возможно, что ключи бы и пережили тяжелый режим нормально, но решено было поискать другое решение с охлаждением ключей. Сложность ситуации заключалась в том, что поставить радиатор по-более проблематично, так как ввиду прямого контакта со стоками ключей он будет уже как антенна работать. Изолировать радиатор от стоков ключей к сожалению нельзя, потому что заметно ухудшается отвод тепла от корпуса ключа на радиатор. В итоге решено было сделать жидностное охлаждение.
Чтобы быстрее получить результат прототип был сделан из тех деталей, которые можно достать на строительных и авто-рынках. В итоге прототип системы пополнился еще одной коробочкой — в ней содежится водяной насос и радиатор от автомобильного отопителя, а также небольшой аккумулятор для питания насоса и вентилятор для обдува радиатора.
Система показала просто фантастическую эффективность охлаждения ключей и громадную избыточность по объему жидкости и диаметрам патрубков. За все время испытаний еще ни разу не удавалось нагреть радиатор до ощутимого на ощупь нагрева. Значительное уменьшение габаритов системы может быть получено с применением компонент жидкостного охлаждения, применяемых в персональных компьютерах.
Комментарии:
Серией данных материалов, я не призываю повторять путь разработчика и создавать настолько мощные ускорители. Помните, что использование высоковольтных устройств может нести угрозу разработчику, а само устройство может быть интерпретировано как оружие, в случае некорректного использования или исполнения.
а пельте-элементы использовать никак ?
Пельтье по-моему тут будет просто расточительством энергии.
Ну, транзисторы можно было бы прикрепить со стороны монтажа и радиаторы увеличить раза в 3-4
UAM
при больших размерах радиаторы начинают работать как антенны и начинаются всякие нежелательные спецэффекты на каналы обратной связи по напряжению. Изолировать радиаторы от стоков транзисторов конечно можно, но эта изоляция имеет довольно высокое термосопротивление, которое не имеет значения для источников, работающих на постоянную нагрузку, но имеет огромное значение для данного случая.
Антенны на 40-50 килогерцах ?
А как-же инверторы для сварочных аппаратов ?В UPS Powercom модели конца 80-х на 1000VA(670Вт) стояли 4 50-амперных транзистора на 2 радиаторах, с площадью оребрения в 2-2,5 раза большей, чем на фотографии, но без активного охлаждения и через прокладки. И это для непрерывной нагрузки.
UAM
Да вот не все так просто на самом деле с паразитными излучениями при работе тяжело нагруженных ключей, поверьте практику. Либо экспериментируйте самостоятельно
Сварочные аппараты…. Ток сварки – допустим 100А при 20 вольтах. Это делается из выпрямленных 220, т.е. грубо говоря из 310 вольт постоянки при токе уже всего в 6.5А Чувствуете разницу ? Токи (средние) 6.5А в ключах сварочного аппарата и токи порядка 100А, которые коммутируются при заряде батареи конденсаторов с нуля. Это громандная разница, не сравнимая. При внутреннем сопротивлении ключа в 0.004 Ома потери на ключах при среднем токе 100А составят около 40 Ватт. А при среднем токе в 7А на ключах сварочного инвертора даже при их сопротивлении открытого состояния в 0.03 Ома составят всего 1.5 Ватта. Оцениваете разницу между инвертором, работающим от 220 и системой накачки конденсаторов, работающей от 12 вольт аккумулятора ? К тому же далеко не все сварочные инверторы допускают режим постоянной нагрузки. Обычно у них около 40% времени нагрузки, т.е. им надо на 40 сек. работы давать 60 сек. отдыха иначе – сгорит от перегрева.
И в них так же встраивают защиты от «залипания» электрода, т.е. от короткого замыкания 
> При внутреннем сопротивлении ключа в 0.004 Ома потери на ключах при среднем токе 100А составят около 40 Ватт.Ладно, убедили. Почти. (Извините, сколько времени работает инвертор в этом режиме? И какой объем меди достаточен, чтобы его нагреть мощностью в 150Вт за это время на 30 градусов?)
Мне просто не понятно, зачем было городить «водянку». Если нельзя было увеличить размер радиаторов, то уж повысить КПД за счет увеличения напряжения питания или замены полумостового инвертора на мостовой ничего не мешало.
UAM, спасибо за участие и дискуссию. По Вашим вопросам.1. Инвертор, тобишь Push-pull конвертор закачивает батарею конденсаторов за 25 секунд, это если аккумулятор свежезаряженный. Режим, при котором происходит очень сильный нагрев вследствие перегруза длится примерно 15 секунд, потом ему уже по-легче закачивать. Чтобы отвести все это тепло от кристаллов ключей потребуются кубики металла объемом примерно 500 см в кубе. Т.е. 10 на 10 и на 5 см габаритами. Могу тут и ошибаться, но мне кажется, что именно такой кусок металла подошел бы чтобы впитать за 10-15 сек выделившееся тепло. Но согласитесь – слишком большая штука это. К тому же я планирую увеличить емкость батареи для случаев турельного варианта орудия. Тогда время перегрузки ключей будет еще выше и вот тогда водяное охлаждение уже проявит себя в полной мере
2. Безусловно, за счет повышения напряжения можно было бы снизить требования к охлаждению и при работе с 24-вольт наверняка я обошелся бы радиаторами от старых процессоров. Но ведь цель была сделать систему питания от 12-вольтового аккумулятора, чтоб можно было использовать в полевых условиях запитывая оборудование от мотоциклетного аккумулятора. Но за все нужно платить. В данном случае водяное охлаждение это расплата за потери на ключах из-за низкого входного напряжения и высокого тока.
Хочу добавить по отдаваемому теплу.
Ключи отдают основную тепловую мощность не когда они открыты или закрыты, а когда они открываются и закрываются. Именно при переходном процессе, токи уже достаточно велики, а сопротивление гораздо выше 4мОм. Даже при небольшом времени переключения этот неудобный факт добавляет более четверти тепловых потерь, это при хорошей схеме закрытия ключей.
А как насчет теплоэлемента?Прилепить его к греющимся частям.Тепло с его помощью будет превращаться в электричество подпитывая аккамуляторы.Я не знаю возможно ли это осуществить в вашей конструкции(ибо не было детального видео)
Mr.H – согласен, есть такое дело как потери при открытии ключей. Увы, тут ничего не поделаешь окромя применения драйверовRedan – я бы с радостью, но где-ж взять такой чудный элемент….
После прочитанного стало интересно рассматривали ли вы идею вместо батареи кондеров использовать 1 кондер для автоаудиосистемы ёмкостью в 1-2 Фарада или вообще что будет полный изврат на 10-20 фарад (такой правда таскать не очень будет)?
Уважаемый Dmitriy,
Прежде всего – огромный респект Вам за проделанную титаническую работу! Восхищаюсь такими энтузиастами, как Вы!Буду рад внести свой скромный совет по улучшению конструкции.
Потери на переключение транзисторов (а они составляют куда больше четверти всех тепловых потерь, как писал уважаемый Mr.H) можно практически свести к нулю, если использовать квазирезонансный режим работы пушпула или моста. Конечно, добавится еще массивный дроссель, зато, скорее всего, вообще оба транзистора пушпула можно будет усадить на один радиатор от PentiumIV.
Кстати, если не секрет, какие IGBT или MOSFET Вы используете?
а сколько стоили конденсаторы ELZET 4700 µF на 400V за штуку
Я, может быть, чего-то не понимаю, но не легче было б сделать систему, которая заряжала бы конденсаторы по очереди, вместо того, чтобы прикручивать водяное охлаждение к заряднику чудовищной мощности?
Респект рельсостроителям.Предлагаю использовать в качестве ключей транзисторы IRLB3036. Спротивление канала в открытом состоянии 1,9 миллиома. Стоят они в районе 180 руб. штука. Я провёл расчёт и получилось, что предельно допустимая температура кристалл будет при комутации тока в 140 А при 12 В, при этом температура радиатора будет 55градусов по Цельсию.
Для увеличения мощьности можно распаралеливать ключи и обмотки. Например сделать не одну а несколько первичных обмоток и для каждой свой ключ. Если сделать две обмотки, то можно коммутировать 200А (по 100А на транзистор при 12В). При этом средняя тепловая мощьность каждого транзистора будет 80 Вт
Есть идея с помощью распараллеливания обмоток сделать архимощьный импульсный преобразователь напряжения который будет непосредственно питать рельсотрон. тогда ток будет на постоянном уровне, При разряде конденсаторов, когда снаряд движется по стволу, ток убывает что сильно снижает КПД. Если использовать непосредственное подключение к преобразователю, то ток можно даже сделать нарастающим. Патенты на тему рельсостроительства гласят об уменьшении сопротивления рельс по ходу ствола.
Можно вообще поставить лазер от DVD-RW и в момент прохождения рельс зажигать им что либо вроде ПХА, образующаяся плазма и создаст токо проводящую дугу. Таким образом мы значительно повысим КПД – не надо будет испарять металл. А лезер жрет копейки. Кроме того от сжигания хим горючего будет доп. импульс
Хотя нужно все пересчитать на предмет времен.
Кстати, не проще ли сделать программную зависимость тока зараядки. Тогда греться будет только ген тока, и то не сильно, а управление отдать (для простоты) какой нибудь дешевой однокристалке. Кроме того при соответствующем енверторе возможно питание от аккумуляторов, и твой девайс можно былоб сделать носябельным!