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通过电感储能加速(或称共轭电感)方法提取额外能量试验

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发表于 2018-2-16 17:25:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 voilin 于 2018-2-17 13:16 编辑

看了开天写的一篇电感储能加速的东西,和之前云外的点拨贴中提到的“磁场共轭坍塌”有相同点,受到启发做了些试验。开天兄的文章见附件,附件中我做了标注,是一篇有价值的文章,里面有几个问题值得商榷:
1、电感储能多少和电流与时间轴围成的面积无关,计算存入能量的多少要用电感电压与电流乘积得到瞬时功率,然后在上升过程中对时间积分得到;达到同样电流,电感存入的能量0.5*L*I^2 其大小只和电感量L大小有关,同样输入电压下,L小则时间短,达到相同电流时储能也少,电源耗能同样也少。而关键的问题在于次级断开使初级电感量恢复过程中,如何能够对初级绕组不产生其他影响。
2、负能量说法,我认为尚有欠妥,次级负载电阻越小(包含次级线圈电阻),初级电感测量值也越小,初级电流从0上升到最大值时间越短,同时次级消耗能量也越小,仍可以用传统变压器方法来解决,次级阻抗变换到初级,次级能量从初级得到。极限情况:次级电阻为0,且无漏感,则初级表现为纯电阻。

放假这几天连续做实验搞这个问题,今天大年初一了 把实验发上来,欢迎来讨论讨论~
第一步、测量次级电流变化、对初级电流的影响
电感用铁硅铝黄白磁环绕制初级次级电感都是280uH,初级电阻0.31Ω,次级电阻0.05Ω,供电用12V航模动力电池,初级和次级测流电阻均为0.05Ω无感电阻。
次级开路时,初级闭合过程(红色初级电流,黄色次级
电压):

可见初级稳定后电流约28A,看次级电压与初级电流的关系可知磁环未饱和。
次级短路时(总电阻0.05+0.05=0.1Ω),初级闭合再断开过程(红色初级电流,黄色次级
电流):

次级电流降为0后,断开初级瞬间可见次级产生瞬时反向电流,因为初级和次级电感量相等,所以瞬时电流和原边相等也是28A,这个容易理解。


第二步、搭电路做测试
上面试验使用机械开关做的,下面改为MOSFET做开关,并设计A、B两种电路验证。



A从次级提取能量,B从初级提取能量。MOS管为IRF2807,电池两端并联电容8800uF/25V , R1、R2均0.05Ω, 二极管均为4个HER508并联, RL为负载电阻2600Ω,负载并联电容660uF/100V。用信号发生器驱动MOS管,波形为占空比5%的方波,调整驱动频率到21Hz时,刚好在次级电流降为0时原边断开。波形如图:


初级绕组电流最大值为20A,不接RL时输出电容的电压达到80多伏,接上RL输出电容降到39伏,输出功率0.58W(最好的一次调到了0.64W);输入功率10W左右,输入侧的电阻损耗功率7.2W,次级绕组在电流下降过程中电阻损耗功率0.67W,电路工作时能明显听到电感由于脉冲发出的嗒嗒声,磁场突变肯定有电磁辐射,用FLUKE感应试电笔放在电感附近,果然有相同节奏的闪烁,所以电磁波辐射也占一部分能量,辐射功率难以测量;剩余未知转化掉的和测量误差的功耗10-0.58-7.2-0.67=1.55W,如果1.55W全部以电磁辐射发射出去,则输入输出基本平衡。采用B电路也做了测试,输出功率与A电路相同,其他数值也基本相同。

两个问题:
1、次级绕组电流下降过程所用时间取决于哪些因素? 次级绕组电阻肯定是一个因素,电阻越大下降越快、电阻越小下降越慢,我们希望越快越好,但同时希望次级电阻越小越好(否则短路电流太小,初级等效电感值降低太少),二者是矛盾的。
2、次级电流降为零时,初级电流20A,电感280uH,此时电感中储能0.5*L*I^2=0.056焦耳,频率21Hz(周期0.0476秒),可得储能应释放的功率为:0.056/0.0476=1.17W, 而输出端得到功率仅0.58W, 另外一半哪里去了?MOS断开瞬间初级绕组的电感是否恢复到起始值280uH?

最后发个试验视频:



欢迎一起来探讨!把这个问题搞清楚搞明白~
仔细听视频里的嗒嗒声,那就是磁环电感发出来的,还是很响的,我都担心有脉冲辐射损害哈哈


补充:也测试了输出负载短路和开路情况,短路RL和正常接RL时输入完全不变,开路RL时输入电流增加10mA,这就很奇怪了,有输出时输入减小、输出短路对输入完全无影响;唯一不确定因素是电磁波辐射能量的增减。

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楼主热帖
发表于 2018-2-16 18:40:46 来自手机 | 显示全部楼层
不错,有图有真相,赞一个。
发表于 2018-2-16 19:47:36 | 显示全部楼层
原边电流为什么没有瞬间达到最大值,而是有个斜坡?
 楼主| 发表于 2018-2-16 20:35:26 | 显示全部楼层
本帖最后由 voilin 于 2018-2-16 20:37 编辑
心灵失去 发表于 2018-2-16 19:47
原边电流为什么没有瞬间达到最大值,而是有个斜坡?

第一个图是副边开路时,黄色波形是副边的电压,不是电流;此时原边就是一个常规电感,所以电流有斜坡。第二个图是副边短路,两边电流都瞬间最大。
发表于 2018-2-16 23:18:45 | 显示全部楼层
本帖最后由 Derena 于 2018-2-17 00:00 编辑

这样做实验,电池喊救命。
我想次级绕组电流的持续时间的决定因素有可能是初级绕组的内部电阻。
另外一半估计是去了给电容充电时产生的损耗。
有没有想过,为什么电感的储能公式会是0.5*L*I^2,其实质是什么?
 楼主| 发表于 2018-2-17 03:01:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 voilin 于 2018-2-17 03:29 编辑
Derena 发表于 2018-2-16 23:18
这样做实验,电池喊救命。
我想次级绕组电流的持续时间的决定因素有可能是初级绕组的内部电阻。
另外一 ...

电池1300mA航模动力电池,我直升机模型上的,正常使用电流也差不多20多安培了,命硬着呢 ^_^,做大电流冲击试验 我觉得这种电池不二选择,内阻极小几个毫欧。
电感储能,电感(理想电感无内阻)两端电动势U=L*dI/dt,电压电流乘积为瞬时功率P,P对时间积分就得到储能公式。莫非还有其他内涵?愿闻其详...导线损耗加电容损耗,倒是有可能,难于计算了
发表于 2018-2-17 08:49:38 | 显示全部楼层
你这一说,满坛都跑去买这种电池了。 只是应用这种电池一定要小心,防止短路过热引发爆炸和起火。
嗯,是这样,可能我是对储能公式有点过敏了。
 楼主| 发表于 2018-2-17 12:20:29 | 显示全部楼层
本帖最后由 voilin 于 2018-2-18 13:45 编辑

今天又仔细考虑,输出端并联的电容充放电损耗是极小的可以忽略,电容选用的耐压100V固体铝电解(军品级测过ESR很小),带负载电压39V离击穿电压还很远,实验时候一直是凉的,输入端测流电阻倒是有点热40℃左右的样子,这个电阻功耗可以计算出来是1W左右,所以电容充放电功率远小于1W; 所有导线都是irf250镀银导线125芯 长度也都很短,导线电阻极小的功耗也可忽略;输出二极管功耗也能计算,压降0.5V,根据次级电流波形可计算二极管功耗仅16mW。所以另一半能量还是不知道跑哪了
 楼主| 发表于 2018-2-17 13:59:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 voilin 于 2018-2-26 14:15 编辑

我认为这其中最重要的问题,是怎样让副边电流最快降为0,这样就可继续提高驱动频率,减小占空比降低输入。
副边电流瞬间最大然后缓慢下降,副边电阻越大则电流下降越快、副边电阻越小则下降越慢(如果副边为超导线圈,电流会一直维持吧),这与电容对电阻放电时电压变化有极其相似之处,电阻越大电容电压下降越慢、电阻小则越快;隐约感觉到除了副边电阻,电感里似乎还隐含了一个和电感量无关的别的特性。
将黄白磁环电感换成大硅钢片绕制的大电感,尺寸160×20×30mm,漆包线径0.8mm,得到的初级次级内阻均0.16Ω,电感均3mH。最佳驱动频率变为10Hz,同样输入功率10W下输出RL的功率提高到了1.1W,提高电感的Q值对输出效果明显。

对非晶磁环做了电流下降试验测试,现象更有意思。手上这个非晶磁环磁导率很大,随便绕几圈就达到mH以上,不过极其容易饱和,饱和状态和非饱和状态下开断波形差别很大。
简易测试电路:


磁环饱和时,次级开路时次级电压(黄)与初级电流(红)关系:


磁环未饱和,次级闭合,红初级电流,黄次级电流:


磁环饱和,次级闭合,红初级电流,黄次级电流:

看最后这张图,次级电流有个急速下降,这岂不妙哉正是我想要的!但是输入电流太小,接入A电路后输入输出都太微弱,不易测量 意义不大。
次级电流在磁环非饱和状态用时400ms降为零,饱和状态仅用20ms降为零,这跳崖式下降原因何在??

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点评

如果磁环饱和的话,初级电流应该会很大的。  发表于 2018-2-17 15:28
发表于 2018-2-17 15:02:32 | 显示全部楼层
voilin 发表于 2018-2-17 12:20
今天又仔细考虑,输出端并联的电容充放电损耗是极小的可以忽略,电容选用的耐压100V固体铝电解(是军品级的 ...

那最大的疑点应该是在mos上了,实际上在场管的关闭过程中,场管是处于一个半导通的状态,也会对电感中的储能造成损耗。
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