Näytä kirjoitukset
1
Sähköautot / Nopeudensäätimen toiminta ja kondensaattori
« : 06.02.04 - klo: 12.11 »
Tästä aiheesta kun minulta kysellään useasti, niin ajattelin vastata tänne, jotta mahdollisimman moni valistuisi. Eli,
Nopeudensäädin on periaatteessa sähköinen FET-transistoreilla toteutettu kytkin, joka joko kytkee akun moottoriin tai sitten ei. Eli ON tai OFF. Käytännössä plussapiuhahan menee akulta suoraan moottorille, joten miinuspiuhaa kytketään. Jotta saataisiin myös osakaasu toimimaan, niin nopeudensäädin kytkee sähköä nopeasti päälle ja pois. Tämä kytkemisnopeus on nykyään luokkaa 1-20 kHz (tuhatta kertaa sekunnissa) ja ON ja OFF aikojen suhteellisella kestolla vaikutetaan kaasun määrään. Tätä kutsutaan pulssisuhdemodulaatioksi (PWM) ja sen ymmärtämistä helpottaa seuraava kuva:
http://www.eleinmec.com/figures/028_01.gif
Eli jos ajetaan vaikka 1/3 kaasulla, niin sähkö on kytketty yhden hetken ja pois kaksi hetkeä ja sama toistuu koko ajan. Eli ainoat hetket, jolloin nopeudensäädin ei pulssita virtaa moottorille on kun kaasu on 0% tai 100%.
Ajatellaan tilanne, että akussa on 7.2V, kaasu on 50%, akun resistanssi on 0.01 Ohm ja moottorin kuorma on 0.1 Ohm.
Nyt 50% ajasta akku syöttää virtaa 65.4545 A jännitteellä 6.5454 V ja siten antaa tehoa 428.429 W, ja toisen 50% ajasta akun jännite on 7.2 V ja teho ja virta on nolla. Keskimääräinen teho on siis 214.21 W.
Nyt kun nopeudensäätimeen laitetaan kondensaattori, se toimii ikään kuin sähkön välivarastona. Eli jos kondensaattori on äärettömän suuri, niin akulta nopeudensäätimelle virtaa kulkee tasaisesti ja nopeudensäätimeltä moottorille puolestaa vasta pulssimuodossa. Tässä tapauksessa akun jännite pysyy koko ajan 6.872 Voltissa, virtaa on jatkuvasti 34.364 Ampeeria ja näin tehoa siirtyy 236.17 W. Moottorille virta siirtyy siis säätimeltä edelleen pulsseittain, mutta paremmalla jännitteellä ja siten teho on kasvanut!
Kuulostaa hyvältä, mutta yhtä asiaa ei saa unohtaa. Täydellä kaasulla saavutetaan edelleen paras teho ja silloinhan ei mitään pulssisuhdemodulointia enää tapahdu ja siten kondensaattorista ei ole enää mitään iloa. Eli tehoa saadaa lisää ainoastaan osakaasulla ajettaessa. No pitihän tämä testata käytännössä, joten testasin vanhaa viritetyn luokan moottoria dynossa 1/3 kaasulla, 2/3 kaasulla ja täysikaasulla. Nopeudensäädin oli Novak Cyclone. Nämä kolme dynotestiä tehtiin sekä kondensaattorin (Panasonic ZL 4700uF) kanssa, että ilman (itse asiassa nopeuden säätimen sisäisellä pienellä kondensaattorilla) ja tulokset näkee tässä:
http://www.rctech.net/forum/attachment.php?s=&postid=105380
Eli 1/3 kaasulla saatiin tehoa 25 % lisää, 2/3 kaasulla 30% lisää, mutta täyskaasulla vain 1%. Viritetyssä luokassa on siis odotettavissa lisää ajoaikaa ja pienempi moottorin ja akun lämpötila. Vakioluokissa taas, missä ajetaan paljon kaasu pohjassa, ei eroa juurikaan ole.
Usein kuulee myös väitteen, että koska kondensaattori pystyy varastoimaan energiaa, niin auton kiihtyvyys mutkasta ulos paranee koska silloin tämä energia puretaan moottoriin. Nyt jokainen fysiikan tunteva voi laskea, kuinka suuri kondensaattori tarvitaa, että siitä riittää energiaa yhteen kiihdytykseen, eli noin 60A puoleksi sekunniksi. Tarve on useita Faradeja, ja kondensaattorista tulisi näin jo autoa painavampi. Sen sijaan mainittu 4700 uF kyllä riittää niiden mikrosekuntien ajaksi, kun nopeudensäädin on ON-tilassa ja kondensaattoria taas ladataan OFF-tilan aikana.
Edellä tehdyt laskelmat perustuivat siihen oletukseen, että akulla on pieni resistanssi, mutta kondensaattorilla ei ollenkaan. Käytännössä, myös sillä on jokin hyvin pieni taajuudesta riippuva resistanssi, eli ei ole aivan sama minkälaista kondensaattoria käyttää, koska pelkät mikrofaradit eivät pelasta. Jos ei tiedä minkätyyppistä etsii, niin RC-valmistajien versiot ovat turvallinen joskin kallis vaihtoehto. Sopivat kondensaattorit ovat usein low, ripple, high frequency, low impedance tai vastaavilla termeillä kuvailtu. Volttimäärä mikä usein ilmoitetaan on sen kestämä maksimi jännite, eli mikä tahansa akun jännitettä suurempi riittää.
Yritin selittää asian niin että mahdollisimman moni sen ymmärtää. Periaatteessa pitkälti saman asian voi selittää myös Fourier-sarjojen ja impedanssisovitusten avulla, mutta lopputulos on sama. Akku tekee paremmin työtä, kun se tekee sitä jatkuvalla tasaisella virralla, kuin suurella pulssitetulla virralla. Kondensaattori toimii virran välivarastona ja siten efektiivisesti pienentää systeemin sisäistä resistanssia.
Nopeudensäädin on periaatteessa sähköinen FET-transistoreilla toteutettu kytkin, joka joko kytkee akun moottoriin tai sitten ei. Eli ON tai OFF. Käytännössä plussapiuhahan menee akulta suoraan moottorille, joten miinuspiuhaa kytketään. Jotta saataisiin myös osakaasu toimimaan, niin nopeudensäädin kytkee sähköä nopeasti päälle ja pois. Tämä kytkemisnopeus on nykyään luokkaa 1-20 kHz (tuhatta kertaa sekunnissa) ja ON ja OFF aikojen suhteellisella kestolla vaikutetaan kaasun määrään. Tätä kutsutaan pulssisuhdemodulaatioksi (PWM) ja sen ymmärtämistä helpottaa seuraava kuva:
http://www.eleinmec.com/figures/028_01.gif
Eli jos ajetaan vaikka 1/3 kaasulla, niin sähkö on kytketty yhden hetken ja pois kaksi hetkeä ja sama toistuu koko ajan. Eli ainoat hetket, jolloin nopeudensäädin ei pulssita virtaa moottorille on kun kaasu on 0% tai 100%.
Ajatellaan tilanne, että akussa on 7.2V, kaasu on 50%, akun resistanssi on 0.01 Ohm ja moottorin kuorma on 0.1 Ohm.
Nyt 50% ajasta akku syöttää virtaa 65.4545 A jännitteellä 6.5454 V ja siten antaa tehoa 428.429 W, ja toisen 50% ajasta akun jännite on 7.2 V ja teho ja virta on nolla. Keskimääräinen teho on siis 214.21 W.
Nyt kun nopeudensäätimeen laitetaan kondensaattori, se toimii ikään kuin sähkön välivarastona. Eli jos kondensaattori on äärettömän suuri, niin akulta nopeudensäätimelle virtaa kulkee tasaisesti ja nopeudensäätimeltä moottorille puolestaa vasta pulssimuodossa. Tässä tapauksessa akun jännite pysyy koko ajan 6.872 Voltissa, virtaa on jatkuvasti 34.364 Ampeeria ja näin tehoa siirtyy 236.17 W. Moottorille virta siirtyy siis säätimeltä edelleen pulsseittain, mutta paremmalla jännitteellä ja siten teho on kasvanut!
Kuulostaa hyvältä, mutta yhtä asiaa ei saa unohtaa. Täydellä kaasulla saavutetaan edelleen paras teho ja silloinhan ei mitään pulssisuhdemodulointia enää tapahdu ja siten kondensaattorista ei ole enää mitään iloa. Eli tehoa saadaa lisää ainoastaan osakaasulla ajettaessa. No pitihän tämä testata käytännössä, joten testasin vanhaa viritetyn luokan moottoria dynossa 1/3 kaasulla, 2/3 kaasulla ja täysikaasulla. Nopeudensäädin oli Novak Cyclone. Nämä kolme dynotestiä tehtiin sekä kondensaattorin (Panasonic ZL 4700uF) kanssa, että ilman (itse asiassa nopeuden säätimen sisäisellä pienellä kondensaattorilla) ja tulokset näkee tässä:
http://www.rctech.net/forum/attachment.php?s=&postid=105380
Eli 1/3 kaasulla saatiin tehoa 25 % lisää, 2/3 kaasulla 30% lisää, mutta täyskaasulla vain 1%. Viritetyssä luokassa on siis odotettavissa lisää ajoaikaa ja pienempi moottorin ja akun lämpötila. Vakioluokissa taas, missä ajetaan paljon kaasu pohjassa, ei eroa juurikaan ole.
Usein kuulee myös väitteen, että koska kondensaattori pystyy varastoimaan energiaa, niin auton kiihtyvyys mutkasta ulos paranee koska silloin tämä energia puretaan moottoriin. Nyt jokainen fysiikan tunteva voi laskea, kuinka suuri kondensaattori tarvitaa, että siitä riittää energiaa yhteen kiihdytykseen, eli noin 60A puoleksi sekunniksi. Tarve on useita Faradeja, ja kondensaattorista tulisi näin jo autoa painavampi. Sen sijaan mainittu 4700 uF kyllä riittää niiden mikrosekuntien ajaksi, kun nopeudensäädin on ON-tilassa ja kondensaattoria taas ladataan OFF-tilan aikana.
Edellä tehdyt laskelmat perustuivat siihen oletukseen, että akulla on pieni resistanssi, mutta kondensaattorilla ei ollenkaan. Käytännössä, myös sillä on jokin hyvin pieni taajuudesta riippuva resistanssi, eli ei ole aivan sama minkälaista kondensaattoria käyttää, koska pelkät mikrofaradit eivät pelasta. Jos ei tiedä minkätyyppistä etsii, niin RC-valmistajien versiot ovat turvallinen joskin kallis vaihtoehto. Sopivat kondensaattorit ovat usein low, ripple, high frequency, low impedance tai vastaavilla termeillä kuvailtu. Volttimäärä mikä usein ilmoitetaan on sen kestämä maksimi jännite, eli mikä tahansa akun jännitettä suurempi riittää.
Yritin selittää asian niin että mahdollisimman moni sen ymmärtää. Periaatteessa pitkälti saman asian voi selittää myös Fourier-sarjojen ja impedanssisovitusten avulla, mutta lopputulos on sama. Akku tekee paremmin työtä, kun se tekee sitä jatkuvalla tasaisella virralla, kuin suurella pulssitetulla virralla. Kondensaattori toimii virran välivarastona ja siten efektiivisesti pienentää systeemin sisäistä resistanssia.