RC CARS TEAM

Nezávislý informační portál věnovaný RC modelům aut a modelářské tématice.

Návody a rady

Technika : Optimalizace pohonné jednotky

           Mikroprocesorom riadené regulátory otáčok majú niektoré nové funkcie ktoré umožňujú užívateľovi zvýšiť výkon súťažného modelu. Aby sme však mohli tieto funkcie využiť je potrebné porozumieť niektorým základným súvislostiam medzi motorom, akumulátormi a regulátorom rýchlosti. Vysvetlíme si niektoré dôležité pojmy, ktoré musíme vedieť ak chceme dosiahnuť čo najlepšie výsledky. Nasledujúce diagramy a výpočty sú určené najmä pre vybavenie súťažných RC modelov (motory triedy modified, elektronické regulátory, vyberané akumulátory atď.).

            Malé elektromotory používané v RC autách pozostávajú z plášťa a rotora. Dva permanentné feritové magnety sú upevnené vo vnúti plášťa. V čele plášťa a v zadnom veku sú ložiská a v nich je uložený rotor. V zadnom veku sú uložené uhlíky (kefy), ktoré slúžia ako kontakty na pripojenie el. napätia na komutátor rotora. Komutátor je prepojený s vodičmi, ktoré sú navinuté na jednotlivé segmenty rotora a cez ktoré sa uzatvára el. okruh. Napr. 17 závitový motor ma tri vinutia okolo jednotlivých segmentov rotora po 17 závitov. Po pripojení el. napätia na uhlíky začne tiecť el. prúd vinutím rotora. Vznikne magnetické pole, ktoré spôsobí, že sa rotor začne točiť.

Prúdový odber:

            Na pól kotvy je navinutých 17 závitov z izolovaného medeného drôtu, ktorého dĺžka je pár decimetrov. Je jasné že po pripojení akumulátorov na toto vedenie nastane stav ktorý môžeme nazvať skrat. Situácia sa zmení keď sa začne rotor otáčať. Komutátor prepína el. napätie postupne k jednotlivým vinutiam a motor sa začne chovať zároveň aj ako generátor. Generátor pôsobí proti činnosti motora. Preto pri vysokých otáčkach je prúdové zaťaženie malé.

            Diagram znázorňuje prúdové zaťaženie 17-závitového modified motora v porovnaní s 27-závitovym stock motorom. Predpokladáme že akumulátory majú konštantné napätie 7,2V. V skutočnosti to však nieje možné, takže priebeh charakteristík by nebol tak ideálne lineárny. V diagrame je max. prúdové zaťaženie stock motora 90 A. Prúdový odber malých jednosmerných motorov pri nízkych otáčkach je mimoriadne vysoký, ale majú veľký krútiaci moment. Pri maximálnych otáčkach je len malé prúdové zaťaženie, ale krútiaci moment je tiež veľmi malý, ktorý dáva len veľmi obmedzený výkon pri maximálnych otáčkach. Pri záťaži spotreba energie (a spotreba prúdu ) stúpa až kým sa nevyrovná príkon s výstupným výkonom.

Poznámka: Spotreba prúdu závisí na rozsahu používaných otáčok. Zlý prevod alebo vadné ložiská môžu tvoriť nadmernú záťaž a spôsobia neprimerane vysokú spotrebu aj keď použijeme "slabší" motor.

Účinnosť:

            Účinnosť je pomer príkonu proti výstupnému výkonu a udáva sa v %..

            Ak je el. príkon 100W a mechanický výstupný výkon 76W výsledná účinnosť je 76% (pre malé motory je to veľmi dobrá hodnota). Príkon získame súčinom galvanického napätia NiCd batérie (7,2 V) a odoberaného prúdu (13,9 A) > 7,2 V X 13,9 = 100 W. Výstupný výkon vypočítame ako súčin otáčok a krútiaceho momentu. Meranie krútiaceho momentu je však problematické. Výkonové straty motora predstavujú magnetické straty (magnetický obvod), elektrické straty (komutátor, vodiče) a mechanické straty (trenie v ložiskách). Straty sa prejavia teplom a hlukom.

            Účinnosť sa mení v závislosti na otáčkach. Najvyššia účinnosť sa pohybuje 2/3 max. otáčok motora. Presnú hodnotu môžeme odčítať z diagramu, ktorý získame meraním motora na testovacom zariadení.


Poznámka: Pri použití 1700 mAh batérie na jazde v trvaní 5 minút musí byť stredná hodnota odoberaného prúdu 20 A.. Ak chceme dosiahnuť čo najlepšie výsledky musí sa maximálna účinnosť u použitého motora nachádzať okolo hodnoty odberu prúdu 20 A..

             Musíme si uvedomiť, že pri jazdení nemáme na akumulátoroch stále rovnako vysoké napätie, ako keď ich meriame nezaťažené. Vznikajú na nich pri záťaži veľké straty, s ktorými musíme rátať pri pripájaní a nastavovaní ostatných el. komponentov (motor, vodiče, regulátor). Je jednoduché minimalizovať straty, ak vieme ich príčinu.
Každý článok 1700mAh sady akumulátorov má odpor najmenej 4 miliohmy. Komplet šiestich článkov má preto odpor 24 miliohmov. Rýchle prepočítanie, ukazuje, že pri zaťažení 155 A (pri rozbehu motora) pokleslo napätie na sade na 3,5 V.

            A tento výpočet je len pre vnútorný odpor šiestich článkov, neráta so stratami v elektrickom vedení, konektoroch, prepojkách článkov a pod. Naproti tomu straty sa zmenšia pri nižšom napätí, tak váhy chce byť nájsť automaticky. Presné výpočty su náročné - a niesu celkom reálne.

Poznámka: Len kvalitné a dobré články vydržia veľké zaťaženie bez väčších strát (straty sú minimálne 0,04V/10A na článok!). Ak je počiatočný prúd pri záťaži 60A, šesť článkov bude mať pokles 1,44 V - teda reálne môžeme rátať len s 5,76 V, ktoré môžeme využiť. Pri priemernom zaťažení 20 A pri pretekoch je stála strata v akumulátoroch 10 W a mení sa na teplo.

             Vnútorný odpor článkov batérie je len jedna príčina výkonových strát. Veľké straty vznikajú i v zlých konektoroch a nevhodných prepojovacích vodičoch. Najviac regulátorov je vybavených konektormi, ktoré umožňujú jednoduché pripojenie a sú v stavebniciach RC modelov áut. Tieto konektory bude potrebné vymeniť. Ak chceme súťažne jazdiť, musíme optimalizovať elektrické vedenie .Na obrázku vidíme poklesy napätia spôsobené stratami v systéme pri zaťažení 60 A. Je to len teoretický výpočet, ale pekne nám ukáže všetky straty vo vedení.

            Pri veľkých záťažiach - pri prudkých akceleráciách - je vysoký odber prúdu a pokles napätia je samozrejmý. Všetky odpory v elektrickom vedení a v konektoroch sú stále rovnaké a pokles napätia závisí hlavne na okamžitom odbere prúdu. Nasledujúci obrázok porovnáva úbytky napätia v nezaťaženom vedení, pri odbere 30A a pri odbere 60A..

            Celý systém je dynamický, pokles napätia závisí na prúdovom odbere. Záťaž a jej neustále zmeny závisia na podmienkach súťažnej trate na efektívnej jazde pretekára - akcelerácia, brzdenie, spomaľovanie - závisia na otáčkach motora a na spínacej frekvencii elektronického regulátora ak nieje v režime plného výkonu. Všetky súčasné elektronické regulátory rýchlosti využívajú spínací režim pre riadenie výkonu motora.
Konektory spôsobujú najväčšie straty a je jasné že s úpravami začneme práve tu. Pozrime sa na štandardné zapojenie, ktorého straty boli uvedené na predchádzajúcom obrázku.

            Výhodou tohto prepojenia je jednoduchosť pripojenia bez nutnosti letovania. Pre veľké napäťové straty je toto prepojenie nevhodné pre výkonné motory triedy modofied (10 - 20 závitov).
Poznámka: V tomto prípade je jednoduché znížiť odpor a zamedziť nadmerným výkonovým stratám. Optimalizované zapojenie je lepšie prispôsobené výkonným motorom. Zapojenie s nízkym odporom má nižšiu hmotnosť a je výhodnejšie pre súťažné jazdenie.

Optimálne elektrické zapojenie

                        Vodič veduci od regulátora k motoru možeme nahradiť vhodnejšim zapojením na obrázku. Biely vodič (môže mať i inú farbu) odstrihneme. U špičkových regulátorov tento vodič chýba. Vodiče by mali byť čo najkrtatšie, aby sme čo najviac znížili pokles napätia spôsobený odporom vodiča. Ušetríme takto i hmotnosť.

                      Prvý variant je správnym riešením, aj keď vodiče majú väčšiu dĺžku. V druhom a treťom prípade dochádza k poklesu napätia na regulátore spôsobeného veľkým prúdovým odberom motora. Tento pokles napätia može ovplyvniť činnosť obvodov BEC (stabilizátor napätia 5V pre napájanie prijímača a serva) regulátora. Tento problém je vysvetlený na následujúcom obrázku.

            "Veľký prúd" predsatavuje odber motora a "malý prúd" odber elektroniky regulátora a obvodu BEC. Pokles napätia na regulátore pri nesprávnom zapojení môže spôsobiť kolísanie stabilizovaného napätia 5V z obvodov BEC. Kolísanie napätia sa môže prejaviť ako "rušenie" prijímača - kmitaním serva riadenia a pod.

             Pre pripojenie motora je najvýhodnejšie nepoužiť konektory, ale priletovať ho kvalitne cínom. Pre pripojenie bateriek je vhodné použiť veľmi kvalitné konektory -- pozlatené s veľkou dotykovou plochou.

           Je potrebné venovať pozornosť všetkým uzlom, pretože i jeden zlý spoj s vysokým odporom podstatne ovplyvní celý elektrický okruh.

 Poznámka: Všetky spoje letujte, alebo používajte veľmi kvalitné konektory. Vyhnete sa tým zbytočným úbitkom napätia. Malé odpory spojov predlžujú jazdný čas. Ak sa niektorý konektor alebo spoj počas jazdy nadmerne zohrieva, je to jasný signál veľkého prechodového odporu.

 

Regenerácia akumulátorov pri brzdení.

            Na obrázku je nakreslená slučka na regeneráciu akumulátorov. Bohužiaľ pri brzdení nedochádza k nabíjaniu akumulátorov regulátorom, aj keď je to dosť rozšírený názor. Jediná využiteľná energia, je napäťový inpulz indukovaný v motore pri brzdení.

Čo sme pri optimalizácii zmenili:
zrušili 2 konektory, 2 konektory nahradili inými s nižším prechodovým odporom a skrálili vodiče.

Čo sme po optimalizácii dosiahli:
-- pri odbere 30A nárast napätia o 1,2V (na 5,4V)
-- pri odbere 60A nárast napätia o 2,4V (na 3,6V)

            Čím je väčší prúdový odber väčší tým je optimalizácia potrebnejšia!

            Zisk sa dá vypočítať následovne:

prúdový odber

výkon pred optimalizáciou

výkon po optimalizácii

zisk

30A

30A x 4,2V = 126W

30A x 5,4V = 162W

+28%

60A

60A x 1,2V = 72W

60A x 3,6V = 216W

+300%

Poznámka: Ak chcete použivať v aute výkonný motor, je optimalizácia pohonnej jednotky nevyhnutná.

                                                                                                 Paľo Balint

Žádné komentáře
 
RC CARS TEAM , nezávislý informační portál, www.rccarsteam.nolimit.cz, email: vasnovskyv@seznam.cz, tel.: 607831275