Работа с прототипом RailGun позволила сформулировать основные требования к системе управления энергией (PMS) будущего опытного образца RailGun. По замыслу PMS должна была позволять :
1. Заряжать батарею конденсаторов любой емкости от 12-вольтового аккумулятора с контролем его разряда, предохраняющим АКБ от глубокого разряда
2. Заряжать батарею конденсаторов от сети переменного тока 220V
3. Безопасно разряжать батарею конденсаторов до 0V с перекачкой энергии в аккумуляторную батарею.
4. обладать функцией зарядного устройства для заряда АКБ от сети переменного тока 220V
5. отключать PMS от конденсаторной батареи на момент выстрела.
Прототип PMS позволил ранее отработать практически все вопросы за исключением питания системы от сети 220V. Были заказаны и изготовлены заводским образом печатные платы для PMS
На плате размещено сразу 3 DC/DC конвертора. Один конвертор выполнен по схеме Push-Pull и преобразует 12 вольт АКБ в 800 вольт боевого напряжения RailGun. Второй конвертор выполнен по схеме полного моста и преобразует выпрямленные сетевые 220 вольт в 800V. И, наконец, третий конвертор выполнен по схеме полумоста и преобразует напряжение от 100 вольт до 800 вольт в 13.5 вольт заряда АКБ. При разряде батареи конденсаторов до 100 вольт конвертор отключается и открывается IGBT-ключ который остатки энергии конденсаторов разряжает на резистивную нагрузку.
По опытам с прототипом PMS было известно, что ключи PUSH-PULL конвертора потребуют водяного охлаждения. С этой целью был заказан ряд деталей для водяного охлаждения, применяемых в компьютерах. Помпа, расширительный бачок, радиатор под установку одного 120 мм вентилятора, соединительные шлаги (это совсем не то, что продается на базарах под маркой ПВХ) и переходники для них. Водяные блоки было решено делать самостоятельно, так как из готового в ассортименте магазина не было ничего подходящего. В контур водяного охлаждения решено было включить не только ключи PUSH-PULL конвертора, но и ключи полного моста, а также выходной диодный мост, который, как показала практика, изрядно греется при заряде большой емкости.
На второй картинке, слева-направо: теплообменник для диодов выходного моста, теплообменник для четырех ключей полного моста (под ключи подкладываются термопроводные изоляционные прокладки) и два теплообменника для ключей PUSH-PULL, они устанавливаются на ключи без изоляционных прокладок, для лучшего теплоотвода. На третьем фото показано обжатие диодов к теплообменнику (под корпусами диодов проложена слюдяная изоляционная пластина).
Компоновка будущего конвертора в воображаемом корпусе…..
Испытания системы охлаждения в сборе показали столь высокую эффективность системы, что даже только один теплообменник PUSH-PULL конвертора способен вообще не дать разогреться 100W паяльнику свыше 70 град.
По результатам испытаний система была признана полностью пригодной к охлаждению ключей конверторов. Заполненная охлаждающей жидкостью и протестированная система охлаждения была объединена с платой конвертора на общем шасси.
Крупным планом силовая часть. В центре основной трансформатор с 3-мя обмотками (выходной, мостовой и push-pull), ключи PUSH-PULL конвертора под своими теплообменниками, позади виднеется теплообменник ключей моста. Слева — выходной мост и трансформатор рекуператора, производящего заряд АКБ от конденсаторов или от сети 220
V.
Необходимо отметить, что место на печатной плате под основной трансформатор может принимать сердечники типа EE42, EE55 и EE65. Сейчас используется EE55. Также печатная плата рассчитана на возможность установки до 4-х ключей параллельно в плечах PUSH-PULL конвертора, что сделано с расчетом на более мощные варианты исполнения системы.
На передней панели корпуса PMS расположены
1. Индикатор включения питания системы (белый).
2. Индикатор полного разряда батареи. Красный светодиод засвечивается при напряжении АКБ 10.5V
3. Переключатель вольтметра. В одном положении переключателя 3 вольтметр индицирует напряжение на АКБ, в другом — напряжение на батарее конденсаторов.
4. Встроенный электронный вольтметр.
5. Разъем для подключения оптически развязанных датчиков состояния RailGun.
6. Индикатор заряда батареи конденсаторов до напряжения 800V, готовность к стрельбе.
7. Разъем для подключения батареи конденсаторов.
8. Индикатор разряда конденсаторной батареи до безопасного напряжения. Зажигается при снижении напряжения до 15-20-ти вольт.
9. Замок, блокирующий включение конверторов на выработку высокого напряжения.
10. Замок, посредством которого включается питание PMS.
11. Разъем для подключения кабеля питания сети 220V AC.
12. Тумблер включения конверторов, вырабатывающих напряжение 800V.
13. Селектор, выбирающий источник для накачки высокого напряжения. В зависимости от положения этого тумблера включается либо PUSH-PULL конвертор и в качестве источника энергии используется аккумулятор, либо включается полный мост, который преобразует энергию из сети 220VAC
14. Тумблер включения зарядного устройства/рекуператора. Логически работа PMS сделана так, что включить разряд конденсаторов и заряд аккумулятора можно только, если выключена система накачки конденсаторной батареи.
15. Выбор режима работы зарядного устройства/рекуператора. В зависимости от положения тумблера энергия либо выкачивается из конденсаторов в АКБ, либо производится заряд аккумулятора от сети 220.
Результаты, плюсы и минусы PMS версии 1.0
1. Мощность конверторов на резистивной нагрузке 500W. Ничего удивительного тут как-бы и нет, так как параметры трансформатора взяты такими же как и в прототипе. Разница в том, что добавлена обмотка полного моста.
2. Система охлаждения пока что по-прежнему избыточна. Однако в планах есть и заряд батареи конденсаторов на 15 и на 21 КДж. Возможно радиатор с принудительным обдувом еще и понадобятся.
3. Как минус можно отметить применение расширительного бачка и радиатора. Это скорее результат отсутствия опыта сборки подобных систем. В будущем возможно будет эффективным пропускать поток нагретой ОЖ через рубашку охлаждения, сделанную в радиаторной плите, работающей по совместительству одной из сторон корпуса всей системы.
4. Систему перекачки энергии из конденсаторной батареи в АКБ разумно делать двухступенчатой. Т.е. сначала из напряжения 100-800 вольт формировать 14-112 вольт при помощи полумостового преобразователя, а уже из них стабилизировать зарядное напряжение и ток для аккумулятора посредством чопперной схемы.
5. Ключи необходимо ставить вертикально. Это конечно усложнит констуркцию теплообменников, но значительно сократит место на плате.
6. Как минус — постоянная работа водяного насоса и вентилятора, независимо от температуры жидкости и ключей. Нужно вводить схему включения насоса и вентилятора в зависимости от температуры теплообменников и ключей. Также желательно сделать тепловую защиту в случае выхода из строя насоса.