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高级电炮系统学者
entropy 发布于2016-05-27 21:44
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【科普向】【小白向】分析蓄能电容esr对业余电发射的影响

楼层直达
电炮相比于常规电动机,有着需要在瞬时释放巨大能量的特点,对电源的性能要求也就比较的高。现在在电发射界普遍的电源有电容器,电感器,单极发电机,爆炸磁通压缩装置,反轨道炮等等。而其中蓄能电感器一般也需要一个强劲的电源为它“充能”,因为电感蓄能为W=1/2 L I²,尽管有一定感抗,总的来讲不能像电容一样小功率长时间充电,因此电容器在电炮的电源中作用巨大。而在业余界,孤陋寡闻的楼主还没见过多少别的器件,因此电容的性能在业余尤其重要,我将对其进行简单科普性讲解
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高级电炮系统学者
entropy 发布于2016-05-27 22:15
沙发F
先预告一下本贴内容
第一,分析esr对业余电炮相比于专业研究的影响
第二,分析电容esr在不
同类型电炮中的影响
最后,如何降低esr,如何消除其不良影响以及对不同电容esr的实测方便各位参考
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entropy 发布于2016-05-27 22:41
板凳F
esr是什么呢?esr就是equivalent series resistance,即等效串联电阻,理想电容是没有电阻的,但现实中不使用超导体任何元件总会有一定电阻,esr就是电容各部分上分布的的电阻。因为它是等效串联电阻,因此有着串联增加,并联减小的特点。因为esr这种特点,电容器的esr对业余条件下的电炮有着相比专业条件有大的多的影响,因为esr影响着最大输出电流,而很多电炮对电流都有很大要求。
首先,因为专业条件下容量大,因为容量越大esr越小,对于专业情况下的大容量电容esr相对于电炮本身和导线,开关的阻抗,并不很显著。
其次,专业的电炮蓄能器件电压高(单极发电机除外,“仅仅”有几百v,但常常串联多个)而专业条件下,从来没有使用电解电容的情况,依据电炮原理,轨道炮的科学与技术中所提的电容蓄能成本和能量密度,功率密度,以及各电炮蓄能电容陈列的图片,得出这个结论(楼主孤陋寡闻没有见识过,如有错误请指正)但业余普遍因为廉价的蓄能成本而选择电解电容。相比电解电容,耐压高的金属薄膜电容esr相比耐压低的并不大,甚至更低,因为欧姆定律,面对高电压,薄膜电容微小的esr存在感更低了。而电解电容则因为电解质的加厚而反之。在研究机构和军方眼里,几kv有时都算低压了,但现在国内大多电炮爱好者都使用1000v以下蓄能,450v占相当一部分,原因不解释。低电压高esr的电解电容在需要极大电流放电的场合就相当无力了。
最后,因为电容选择的差异,上面也有提到,专业科研时第一选择就是薄膜电容,油浸电容,因为性能。但业余条件下爱好者往往经济实力有限,所以会选择价格更低的电解电容。(拆机薄膜其实也不贵)电解电容有着esr高,耐压低,耐压越高esr越大的问题
综合上面条件来看,首先是容量,业余上万的不多,而专业研究用几十万起码是要有的。这就已经是esr几十倍的差距,接着是电压,专业条件下全部都是kv级别的,取2kv的话,为普遍的450v电解电容高四倍多。最后,薄膜电容,同容量薄膜电容内阻比电解电容小100倍左右,2000uf电解电容内阻一般为30mΩ,薄膜电容仅0.3mΩ,当容量为几十万uf时。。。内阻几乎可以无视了,不比接线电缆大多少。因此,综上所述,esr对业余条件下电炮影响尤为显著,将其减小,增加电流,减小内阻损耗,是个重要问题
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entropy 发布于2016-05-28 12:11
地板F
先分析导轨炮,导轨炮作为目前最接近实用的电炮,有着高初速,无需电刷,光电开关,放电火花隙等控制器件的优点。因为轨道炮阻抗很小,电流相当大,在业余条件下蓄能电容的esr就凸显出来了。我们来看看esr所影响的电流对轨道炮的影响。先借用一下著名的轨道炮推力公式,有位坛友帖子里面有相当特色的求解方式。

图片:16_220_f65d6d8529e1a58.png

从这里可以看出,推力是正比于电流的平方的。因此当电流太小时,就形不成显著推力,形成了一个“瓶颈”,当电流继续升高推力就会急剧升高(二次函数不解释)所以当制作小蓄能时,要么降低esr提高电压获得足够电流,要么增加电感梯度。否则就很可能会变成电焊机。
[entropy于2016-05-28 18:16编辑了帖子]
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entropy 发布于2016-05-28 12:13
4楼F
这个公式有些人可能不太熟悉,那就从人人皆知的安培力入手分析。都知道磁场垂直于通电直导线时

图片:f=ibl.png

(注意L为通电直导线,即电枢的长度,等同于下面的s)



轨道炮推力就是来自安培力(洛伦兹力),而纵向磁场来自轨道与电枢,电源组成的单匝线圈。因此公式中的B,磁感应强度,同样正比于电流I:

图片:磁通量.png

要算出平均磁感应强度B先算平均磁通量,这里x为导轨长度,电感梯度乘以长度等于电感不解释。

图片:磁感应强度.png


接着除以了截面面积xs得到平均磁感应强度,代入安培定则公式,再除以二(电枢前部不馈电几乎没有磁场)然后还是得到

图片:16_220_f65d6d8529e1a58.png

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entropy 发布于2016-05-28 12:36
5楼F
 补图


图片:左手定则.jpg

图片:轨道炮示意图.jpg

[entropy于2016-05-28 15:04编辑了帖子]
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entropy 发布于2016-05-28 12:41
6楼F
许多业余电炮爱好者在入轨道炮坑时没有esr的问题,希望先小投入尝试一下,可惜太小的蓄能电容容量导致了过大的esr也就导致了过小的电流,加速力的“瓶颈”就导致了这样的轨道炮成为电焊机。而只要电流能大到一定程度,就能突破“瓶颈”,获得可观的加速力,制作轨道炮时,当蓄能高到一定程度时满足能射出去而不焊住,并有一定威力的最低要求就会相当简单。
[entropy于2016-05-28 15:06编辑了帖子]
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entropy 发布于2016-05-28 15:44
7楼F
接着讲同轴感应炮(这里指靠涡流发射的楞次炮)。同轴感应炮优点在于bt的效率和能适配高质量弹丸。同轴感应炮,都知道是利用楞次定律,靠方向相反的感应磁场与激励磁场相作用从而施加推力。因为楞次定律,电流上升时排斥,降低时反拉。比起轨道炮,同轴感应炮对电容器esr要求更高,因为:
首先,要获得大的推力,感应电流要大。要提高感应电流就要提高感应电动势。当电容通过线圈时,会有一个极短的上升前沿,主要出于线圈感抗,还有开关器(固态开关都有一个开关时间,电流在开关时间增大,而机械开关则因为接触力的增大,接触电阻的减小,电流增大)因为

图片:感应电动势.png

(注意这个来自某高中物理的公式是平均电动势而不是瞬时,为了方便用的)
这个上升前沿要越短感应电动势越高,电流也就越大。线圈电感越大磁感应强度越高,但上升前沿就长了,线圈和电容的搭配对感应炮很重要,但不是这个帖子重点,因为,除了感抗还有一些降低电流变化率的因素:电容esr。电容esr的存在导致峰值电流降低,电流上升率自然低了,对感应炮影响很大。
其次,不带换向的感应炮是靠排斥力运作的,随时间推移,弹丸离线圈越来越远,耦合系数越来越低,磁路越来越长,效率随之降低。因此感应炮要求短时间内释放能量以提高效率。另外,由于电流上升之后下降会造成反拉,反拉时弹丸越远越好,而推力只持续瞬间,所以电流越大越好。

因此,电容的esr对感应炮有着巨大影响。由于感应炮不适合像轨道炮一样靠加容量降低esr,而是需要高电压小容量让脉冲更短,对于感应炮电容单位容量的esr是十分重要的(esr大致反比于容量)
[entropy于2016-05-28 18:28编辑了帖子]
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entropy 发布于2016-05-28 16:25
8楼F
磁阻式线圈炮在国内爱好者中相当普及也讲一下好了,磁阻线圈炮中很大一个问题就是反拉,esr要是足够低就能做到快速放电,也就可以零反拉,效率会高很多,前提是不发生饱和。这个就不多讲了太不和谐,想到套件都换成高压薄膜电容简直画面太美不敢看
[entropy于2016-05-28 18:19编辑了帖子]
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entropy 发布于2016-05-28 16:36
9楼F
最后,重接炮。重接炮看起来是离实际应用最远的,模拟起来也很麻烦决定效果的因素很多。但有一点是确定的:重接炮中磁力线重接之前,即磁路闭合之前,发射用的能量会储存在线圈中,等于是说也相当于蓄能电感,磁路闭合后能量再释放。而电感的蓄能有:

图片:电感蓄能.png



所以重接炮也需要高电流来满足电感蓄能,所以业余条件下重接炮失败,除了设计上,仿真上的复杂,电容的esr也会造成很大影响。
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Ma3·02的守望 发布于2016-05-28 17:56
10楼F
指正下两个小问题:
1、3L中“推力正比于推力的平方”笔误。
2、磁阻炮并不是弹丸中心和线圈中心越近效率越高,驱动力是和磁阻的变化率有关的,两者中心近重合时磁阻变化率会减小,一般而言驱动力最大处在一倍极距的位置。
[Ma3·02的守望于2016-05-28 19:53编辑了帖子]
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entropy 发布于2016-05-28 18:18
11楼F
Ma3·02的守望:指正下两个小问题:
1、3L中“推力正比于推力的平方”笔误。
2、磁阻炮并不是弹丸中心和线圈中心越近效率越高,驱动力是和磁阻的变化率有关的,两者中心近重合时磁阻变化率会减小,一般而言驱动力最大处在一倍级距的位置。
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感谢指正,这个没有注意到,弹丸进入线圈时确实会损失能量的
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初音ミク 发布于2016-05-29 10:04
12楼F
所以泥想说:“天灭电解教,薄膜大法好”吧(滑稽)
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entropy 发布于2016-06-05 20:59
13楼F
在讲如何降esr,或者消除它的不良影响之前,需要先说明两个误区:

都知道轨道炮追求恒流,要是电压太高,反倒会放电过快影响效果。但这绝对不意味着高esr在这种情况会带来好处(减慢放电)!因为esr会产生欧姆损失!正确的延长放电方式是增加容量,降低电压。

有些人认为并联许多小电容的电容组比同参数单体电容esr更小,但事实不然!因为电容容量小,内阻就会大!同工艺同质量的电解电容(容量不同)的容量与esr的积是基本不变的!电容的esr主要的决定因素只有工艺和质量。




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entropy 发布于2016-06-05 21:18
14楼F
那么接着讲如何降低esr。先讲电解电容。要降低esr,先要从它的分布入手。这是从百度文库弄的电解电容esr分布示意图。

图片:电容esr.PNG



电解电容因为有着浸电解质的纸作为阴极,它的内阻远高于由良导体作为电极板的薄膜电容。同时,由于电解电容引脚和阳极都是良导体,所以计算时可以先暂时忽略。
因为有

图片:电阻.png



又有

图片:电容公式.png



可以得出esr近似反比于电容量
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entropy 发布于2016-06-05 21:32
15楼F
那么,从上面已经得到了降低esr最有效的方式之一:并联更多电容。但有时要求容量不能太高该怎么办呢?那么此时要么改变电磁炮别的参数来消除不良影响,要么用另一种有效的方式:换电容。薄膜电容有着比电解电容低很多的esr,因为它两极都是良导体。薄膜电容有着诸多优点:耐压高,esr小,击穿损伤小。因为薄膜电容电极板利用蒸镀工艺制成,相当薄,当发生电击穿时该点电极板就会蒸发一部分,电容损失极小的一部分容量,但不至于损坏。有的薄膜电容还有内置保险丝结构,发生击穿的部分电极就会被隔离。使用薄膜电容有着很多好处,esr的问题根本不用担心,但它也有严重的问题。先不说价格(二手薄膜电容不比好的电解贵太多)真正致命的是体积和重量。想搞便携的就只能绕道了。如果想要便携,低esr兼具,那就必须合理地选用电解电容。低esr的电解电容有这些:高频低阻滤波电容,闪光灯电容,还有显示器液晶电容。这一类一般都有着比普通电解电容小一半多的esr。其中闪光灯电容因为电压比较低,尤其适合轨道炮。虽然专业条件下轨道炮电压也会有几kv电压,但容量会很巨大,而且电压相比于感应炮还是很低,所以业余条件下310v的闪光灯电容其实相当合适。
[entropy于2016-06-11 19:41编辑了帖子]
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qwsxmkoi 发布于2016-06-10 20:18
16楼F
楼主,你的X被你丢掉了

图片:QQ图片20160610201832.png

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感应研究所 发布于2018-01-16 20:31
17楼F
entropy:那么,从上面已经得到了降低esr最有效的方式之一:并联更多电容。但有时要求容量不能太高该怎么办呢?那么此时要么改变电磁炮别的参数来消除不良影响,要么用另一种有效的方式:换电容。薄膜电容有着比电解电容低很多的esr,因为它两极都是良导体。薄膜...回到原帖
”310v的闪光灯电容其实相当合适“我不这么认为
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兰若,公主魂 发布于2020-12-18 16:07
18楼F
进来看看。
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兰若,公主魂 发布于2021-01-15 09:52
19楼F
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