ぽんず製造所

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特になし

この前VVVFインバータの動画を1本上げたので紹介します。
209系のGTOインバータを真似てみました。
個人的に一番好きな音なので気合が入り,いい感じにできたと思ってます。
結構伸びておりありがたいです。



装置はVVVFカート2号機に乗せる予定で作ったこいつら↓(過去の記事)
NPC型3レベルインバータを作った
正負出力400W電流型DC-DCコンバータ
マスタ基板(?)
を使っており,24VバッテリーからDC-DCコンバータで±150Vに変換,インバータでモータを回すという構成になっています。
設定データは中央線の209系1000番台に乗って(通称)モハラジオで録音し,それと同じになるように解析・設定しました。よく知りませんが番台や編成によって設定に細かい違いがあるんですかね?とりあえず今回は[中央線の1000番台]のものになってます。







それ以外に特に進捗はありません。最近は工作ができておらず,ブログネタも特にない状況です。今後も活動は縮小気味なってしまいそうです。

初めて自作PCを組んでみた

あけましておめでとうございます。

2ヶ月ほど前,初めて自作PCを組んでみました。

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スペック
CPU:Ryzen 9 3900X
RAM:DDR4-3200MHz 32GB(16GB×2枚) CMK32GX4M2D3200C16
MB:ASRock X570 Pro4
GPU:RX570 8GB MSI Radeon RX570 8GT OCV1
SSD:キオクシア NVMe 1TB SSD-CK1.0N3/N
電源:850W Corsair RM850
CPUクーラー:CPUの付属品
グリス:Thermal Grizzly Kryonaut
ケース:Thermaltake Versa H26 黒
OS:Win10

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初めてということで,部品選びについても何もわからず悩んでいたところ,某氏が部品リストを作ってくれたので,それをベースに選んでいきました。某氏ありがとうございます。

CPUはっょぃのがいい!ってのと,ちょうどZen3が出るタイミングで値下げされたという理由で3900Xを選択。

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グラボはゲームやらんし3DCADがちょっと動けばそれでいい程度なのでRX570を。
メモリはとりあえず32GB積んどきゃ良いっしょみたいな。実際いっぱい食うソフト使うし。
ストレージは速いのが欲しかったんでNVMeのSSDのを適当に。
あとはよくわからんかったんでなんか良さそうなものを(てきとう)。

基本コスパ良さそうなものを選んでいったつもりですが,やっぱよくわからんかったので,今見るとなんでこれ選んでんねんというか,もうちょっといい選択があったかなぁ~~て感じもしなくもないです。
まぁちゃんと動いたし良いかな~という感じです。

制作風景
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無事に動いて2週間ぐらい普通に使ってたのですが,なんかちょっとCPU温度たけぇよなぁ?と思ったんでクーラーを取り外してみると,CPUの下の方にグリスが塗れてませんでした。

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最初はいわゆるうんこ塗りをしていましたが,今回はヘラで塗り拡げておきました。
2~3度くらい下がりましたが,それでもアイドル時60℃台くらいになってます。TDP105Wの3900Xに付属クーラーはきつそうというのは知ってましたが,まぁイケルっしょとかいってケチってたらやっぱきつそうですわ。
あとはちょっとストレージが心配ですかねーくらい。
とはいえ基本的にスペックに不満はないどころか自分にとってはオーバースペックくらいの良いものができて満足です。グラボがショボくて気になってたので,試しにFPSゲームのApexLegendsもやってみたところ,普通に動くし私には十分です。
後できつくなっても自作だとあとからどうとでも出来ちゃうのが良いですね。

サイリスタをしっかり駆動してみた

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よくEMLのスイッチにはサイリスタが使われます。サイリスタは扱える電力が大きいため好都合なのです。
しかし,サイリスタは臨界オン電流上昇率di/dtという「ターンオン時に1秒間にどれだけ電流を上昇させてよいか」という定格があります。シリコンダイ的にはゲート端子の近いところから徐々にオンしていくため,いきなり大電流を突っ込むことができない感じみたいです。
EML類ではdi/dtが激しい使い方となってしまうので,定格を超えそうでちょっと不安です。
三菱電機SEMIKRONInfineonのサイリスタのアプリケーションノートを読んでみたところ,di/dt耐量を上げるにはしっかりと駆動(ゲートドライブ)することが重要なようで,そうしないとデータシート上のスペックが出せないこともあるようです。
そういうわけで,今回はサイリスタをしっかり駆動するゲートドライバを試作して実験してみました。

しっかり駆動するって具体的に何やねんって話ですが,例によって全部アプリケーションノートに書いてありました。
まとめると
  • ゲート電流をめっちゃ流す(ピークはゲートトリガ電流IGTの8~10倍くらい)
  • ゲート電流の電流上昇率(dig/dt)を高くする(1A/us以上推奨らしい)
ということみたいです。
適当にゲートトリガ電流IGT程度流すだけでは全然足りないってわけです。
また,下の画像みたいなゲート電流波形が好ましいらしいです。最初はガツンと流すけど,しばらく時間が立ったらゲート損失を抑えるために電流を控えめにしてる感じっぽい。
キャプチャ

この波形を出すためには色々な回路が考えられますが,アプリケーションノートにパルストランスを使った回路が書いてありましたので,それを参考に試作してみました。
IMG_20200908_205448

回路図
点線で囲われてる部分が基板に実装している部分です。
キャプチ

この回路はトランスでゲートドライバ側とサイリスタ側が別れているところがポイント高いです。
回路の動作自体は単純でQをONするとトランスに電圧がかかり,二次側にパルスが伝送されるという感じですね。

パルストランスですが,パルスがちゃんと伝送できるようにET積を考える必要があります(当たり前)。
今回,パルス幅は300us,二次電圧は定常時で大体3V(流れる電流によって変わる)になるので,1:1で巻いた場合では900Vusくらい必要になります。しかもピーク電流が流れているときはもっと電圧が生じるので2000Vus(てきとう)くらい必要になるかもしれません。
あと,ゲート電流上昇率を高めるために,漏れインダクタンスも最小限に抑える必要があると思います(今回の場合だと1uHもあると厳しそう,実際作ったものは0.6uHでした)。
線間容量もなるべく小さい方がいいです。

今回作成したパルストランスのコアはそのへんに落ちてた適当なものを使いました。よくわからんコアなので,適当に巻いてみては動作確認するというクッソ面倒くさい作業をしてました。最終的には写真にあるようにコア4段重ねとなってしまいました。
できるだけ小型のトランスにしたかったので,ET積はケチって1000Vusくらいです。巻数比が1:2になっているのも,1:2にすれば一次電圧が低くなってET積を確保できるんじゃないかっていう発想です。
サイズ,コア,巻数,巻数比,ET積,巻線抵抗,線間容量,漏れインダクタンス...などなど,考えなければならず面倒でした...。

R1,R2はゲート抵抗の役割をしていて,C1がピークゲート電流の維持する時間(?)を決めるものです。点弧開始直後はC1が充電されていないため,電流はC1の方を通り,ゲート抵抗はR1の分となります。次第にC1が充電されていくとR2の方にも電流が流れ,最終的にはR2に流れるようになり,R1+R2がゲート抵抗としてみえます。
よって,ピークゲート電流値はR1,定常電流値はR2,ピーク電流がどれだけ続くかはC1で決定することとなります。
今回,ピーク2.5A,定常400mAくらいにしたかったので,巻数比が1:2ということを考えると一次側にはピーク5A/定常800mA流れることになります。電源電圧12V,トランスに掛かる電圧がピーク2.5V,定常1V,一次巻線抵抗が0.6Ω,MOSFETは理想スイッチとして計算すると,
R1 = (12 - 2.5)/5 - 0.6 = 1.3Ω
R2 = (12 - 1)/0.8 - R1 - 0.6 = 11.9Ω
といった具合に求まります。
.............が,実際のところは実験しながらいい感じの値を見つけ出し,最終的に回路図に書いてある定数となりました。というのも,サイリスタのVGKは種類や条件によって変わってしまうからです。C1の容量もセラコンの容量変化やらであんま当てにならなかったので実測で決めました。

ちなみに,R1,R2,C1は二次側にあってもよいのですが,一次側にあることでトランス掛かる電圧が低く抑えられ,ET積の小さい小型のトランスでも長時間のパルス出力が可能となります。また,ET積を超過してインダクタンスが爆下がりしても,R1,R2によって電流が制限されるので安心ってわけです。

回路図のDGS,RGP,CGP,DGPはノイズの抑制や誤点弧防止用の素子です。
その他工夫としては,ゲート電流上昇率を高めるために,全体的に配線インダクタンスを抑えるようにするようにしています。


実測波形です。とりあえずサイリスタは無負荷で駆動してみました。
DS1Z_QuickPrint52
CH1(黄色):ゲート-カソード間電圧VGK
CH2(水色):ゲート電流IG
MATH(紫色):ゲート損失PG

ちゃんとアプリケーションノートに描いてあるような電流波形が出ていますね。

初期の部分を拡大してみました。
DS1Z_QuickPrint54

電流上昇率dig/dtはおおよそ4A/usくらいですね。※電流測定用のシャント抵抗のインダクタンス成分で大きめ見えてる可能性があります。
アプリケーションノートでは1A/us以上推奨ということでしたからまぁ良いんじゃないですかね。もうちょっと流しちゃいたい気持ちもありますが...。

ピーク損失は10W行かないくらいですね。ピーク120Wくらいまでイケるサイリスタなので余裕ですね。まぁ良いんじゃないの(適当)。ピークはそんくらいあっても定常時は0.5Wくらいですからゲート損失が抑えられていることがわかります。


無負荷では良好に動作させることができましたので,今度は実際にレールガンを発射してみました。

上2つがゲート関連の波形で,下の波形はレール電流をロゴスキーコイルで取得した波形です。めちゃめちゃノイズ乗っちゃってますが許してください。
DS1Z_QuickPrint55
CH1(黄色):ゲート電流IG
CH2(水色):ゲート-カソード間電圧V_GK
(先程の波形と入れ替わってます)
CH3(ピンク),CH4(青色):レール電流のロゴスキーコイル出力電圧

アノード電流が流れたことで,無負荷よりもVGKが大きくなっています。
ゲート信号は300usのはずですが,200us後には電流が流れなくなっています。おそらく,VGKが大きくなったことでさっさとET積を超過してしまったのだと考えられます。まぁ,100us以上あればいいっぽいような事書いてあったので大きな問題ではないです。気になるならトランスを大きくすれば良さそうです。
他にもこの波形のツッコミどころはありますが,今回のゲートドライバとは関係ない(?)とかいった諸事情により省略します。

とりあえず壊れず普通に動いて普通に使えたよーーーって感じですね。 

動いたはいいんですが,それで実際どれくらい耐量が改善されてるのかはよくわかりません...。
まぁ,メーカーが推奨してるからきっと良いんでしょうし,壊れにくくなるし性能も引き出せるし精神衛生的にもいいので(?)今後も積極的にこの方法を使っていきたいと思います。

諸々

前回の記事でレールガンシミュレータを作ってみました.これにいろいろな値入れて遊んでいると,既存のレールガンを少し改造すると少し効率が上がるという計算結果が出ました.正しいかもわからない計算結果を信じながら,実際にレールガンの改造して試射してみました.

結論から言うと,改造前に比べて確かに効率は良かったが,それが本当に良くなっているのかよくわからない,という結果でした.
というのも
・改造前の実験データが5発分しかなく,今回の実験も3発しか行ってないので,サンプルが少なすぎて比較がしにくい
・効率向上はわずかで,改造によるものか,他の影響によるものかわからない
・配線の端子の錆びを掃除した影響で効率が上がった可能性
・アーマチャの形状・接触などが偶然良かった可能性
・その他諸々コンディションが良かっただけの可能性
・そもそもシミュレーション上でも効率向上はほんの少しなので偶然と見分けがつかない
などの理由が挙げられ,正直よくわからんのです.

ちなみにその時撃ったマトの写真
アルミ板(1mm)にアーマチャがめり込んで取れなくなって草

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ベニヤ板にも撃ってみたところ,普通に貫通
IMG_20200815_175736

今回はレールガン本体のみを改造した結果であり,他にも少し改良できるところがあるみたいなので,早く試したいところです.
具体的な数値やレールガン本体の写真はまた今度で.


あと,家のテレビがぶっ壊れたんで一部の部品を拝借.
電源基板
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バックライト点灯用インバータ
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今までお疲れさまでした,まぁ部品取りにされた部品にはまだ頑張ってもらうけどな.


あとちゃんとした圧着工具を購入.
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JIS規格品ではない安ものですが趣味で使うには申し分なさそうです.早く買っておけばよかったですねー
圧着工具といいLCRメータといい早く買っておけばよかった案件が多すぎて,メキメキ音を立ててQOLが上がってるのを感じる.


今月はこんな感じでした.課題・レポートに追われて工作の進捗はあまり生むことはできませんでした.

レールガンのシミュレータを作ってみたかった

今までいくつもレールガンを作ってきたわけですが,いずれも勘と経験による設計で,どうすれば良くなるとかいう根拠はほとんどありませんでした.
勘に頼るのはそろそろ限界,というかやめたくなってきたし,どんな事が起こっているのかを知りたくなったので,理論の方から攻めていくことにしました.

まずは紙とペンで,レール内の磁束がどうとか,電流値がどうとか,理論を立てながら計算していきます 恥ずかしいのでモザイクで
IMG_20200801_131355

一応それっぽいのを出すことができましたが,最終的な速度を求めたりするとわけわからん微分方程式になっちゃうので,そのまま解くことは難しいです.非線形要素もあるしきついです.
そこで,これらをシミュレータに落とし込んで計算していきます.数値計算ならパソコンで解けます.

そのまえに,シミュレータなんて作ったことないし,練習ということで,簡単なLCR直列回路のシミュレータを作ってみました.Excelで作ってます.
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適当に思いついた方法ですがそれっぽい波形を出すことができました.後で教えてもらったのですがこの方法はオイラー法というらしいです.
オイラー法は欠点が多いらしいですが,それ意外の方法が理解できなかったのでとりあえずはこのまますすめます.

同じようにしてレールガンシミュレータも組んでみました.
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同時に,実測波形・速度も取ってきました.電流波形はロゴスキーコイルを作って取りました.
黄色(ch1)がコンデンサ電圧波形,青(ch4)がロゴスキーコイルの波形です.ロゴスキーコイルは微分値が出てくるので,積分してやると本来の電流波形(紫の波形)になります.
DS1Z_QuickPrint31

シミュレーション波形と実測波形を見比べて,ズレの原因を考えます.
ちょっとずれてるよねー
Ead-dr7U4AE34-G

その後も,実測値との差を確認→原因を考える→紙とペンで計算→シミュレータに落とし込み→...の流れを繰り返して精度を高めていきます.

レール内の磁束分布も知りたくなったので出してみたり
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でも上の画像は計算ミス 多分こっちが正解
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上のは二次元的なデータだったけど,更に細かく知りたくなって三次元にしてみたり
EdVW8ayU4AE2DNe

上のと同じデータだけど3D表示して遊んだり

そんな感じで改良を重ねていくうちに,今度は現実世界のパラメータを正確に入力する必要が出てきてしまって,LCRメータを買っちゃいました.
IMG_20200804_014957

アーマチャの位置によってインダクタンスが変わる様子.

最終的に,実測値とほぼ同じような波形・初速・効率が得られるようになりました(ホントは実測に合うようにパラメータを設定した感のほうが強い).
z

が,まだまだガバいところがあるし,忘れている要素もありそうだし,そもそも実測値も正しいのか微妙です.
とは言え,ある程度の傾向は見れるので使い物にならないことはなさそうだし,なにより作る過程で得たものが大きかったです.
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