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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : LRK im Teillastbetrieb



Wfly
12.07.2002, 20:45
Hallo LRK Freunde,

nach der langen Diskusion über Sein und Schein des maximalen Wirkungsgrades der LRK´s, möchte ich doch mal einen Anreitz geben, die Motoren in dem hauptsächlich eingesetzten Teillastbereich zu begutachten. Gerade die Hubschrauber, Motormodelle, Funflyer usw. werden ja hauptsächlich im Teillastbereich geflogen.

Dabei geht es nicht um den maximalen erreichbaren Wirkungsgrad sondern um das Verhältnis der Eingangsleistung zu einer konstanten Drehzahl bei verschiedenen, Teillastbereichen.

Von Interesse sind natürlich auch Motoren von anderer Bauart. (Hacker, Lehner, Pletti´s Mega usw...)

Für die Messung wird benötigt:
Drehzahlmesser, Regelbares Netzgerät, V/A-Meter.

Als Beispiel dient der neue 10-pol Motor von Flyware mit 10er Statorlänge, 18,5W und Litzenwicklung.

Hintergrund:
Der eingesetzte Propeller benötigt bei gleichen Aussenbedingungen und konstanter Drehzahl auch immer die selbe Wellenleistung. Diese wurde aus dem Programm von Herrn Geck ermittelt und beträgt bei 13240 U/min an einem Graupner Nylon 7"x4" = 125W Wellenleistung. Dies setzen wir als gegeben bzw. fix vorraus.

Diese Drehzahl erreicht der Motor bei genau 10V, 14,8A und Vollgas. Dies ist nun genau der Punkt! Da wir selten Vollgas fliegen interessiert uns ja der mittlere Wirkungsgrad im Teillastbereich.

Nun wird nacheinander die Spannung in 1V Schritten erhöht und der Regler entsprechend zurückgeregelt bis wir wieder die vorgegebene Drehzahl von 13240 U/min haben.

10,0V 14,8A (Vollgas) 125W /148,0W <> 84,5%
11,0V 13,7A (Teillast) 125W /150,7W <> 82,9%
12,0V 12,8A (Teillast) 125W /153,6W <> 81,4%
13,0V 12,0A (Teillast) 125W /156,0W <> 80,1%
14,1V 11,3A (Teillast) 125W /159,3W <> 78,5%
15,1V 10,8A (Teillast) 125W /163,1W <> 76,6%

Wie aus der Tabelle zu ersehen ist liegt der Wirkungsgrad im Teillastbereich deutlich unter dem bei Vollgas.

Wird der maximale Wirkungsgrad bei 10V nun zum mittleren Wirkungsgrad (Teillast) ins Verhältnis gesetzt:

79,9% / 84,5% = 0,945

so kann ermessen werden dass bei diesem Motor und dem Betriebspunkt durchschnittlich ca. 5% beim Teillastbetrieb im Regler und Motor auf der Stecke bleiben.

Von Interesse ist nun:
Wie verhalten sich verschiedene Motoren bzw. Bauarten im Teillastbereich?

Ich hoffe auf eine rege Beteiligung und einige aufschlußreiche Messdaten.

Gruss

Andreas Wehrle
-Flyware-

Sky Walker
14.07.2002, 09:30
Hallo zusammen, nach meinem Verstäntnis ist das keine teillast messung, ist doch immer der selbe
Betriebspunkt die 125 W nur mit eine geänderten
Betriebsspannung, und dies ist nicht Realistisch,
oder hab ich da eine falsche vorstellung??
bitte klärt mich auf.

Ps. nix mit fliegen in Südwest

Jürgen Heilig
14.07.2002, 10:16
Ok, die Messung erfolgt bei Teillast, aber Sky Walker hat hier auch recht. Probieren wir es vielleicht einmal anders herum:
Bei 10V und 14,8A (148W)/13.240 U/min (117W)/eta=79%
12.500 U/min entsprechen 98,5W
12.000 U/min entsprechen 87,5W
11.000 U/min entsprechen 67W
10.000 U/min entsprechen 51W
Einstellen der entsprechenden Drehzahl und Eingangsleistung messen. :) Jürgen

Wfly
14.07.2002, 12:10
Hallo Skywalker,

Deine Vermutung, dass immer am selben Betriebspunkt gemessen wird, ist vollkommen richtig und muss auch so stattfinden. Es ergibt sich allerdings eine kleine Abweichung vom Betriebspunkt, da ja durch den minimal erhöhten Leistungsbedarf im Teillastbereich die Versorgungsspannung die durch die PWM quasi Konstant gehalten wird, sich leicht erhöht.

Um nun für diesen Betriebspunkt den Durchschnitt bei Teillast festzustellen, müssen auch mehrere Messungen wie oben beschrieben gemacht werden.

Nun kann zur Erweiterung der Messung natürlich noch an verschiedenen Betriebspunkten gemessen werden.

@Jürgen
Wie willst du mit deiner Methode das Verhältnis zueinander bilden wenn du nur immer eine Messung pro Betriebspunkt machst? oder hast du eventuell einen Regler der Vollast und genau z.B. 70% PWM ausgeben kann? Bitte beschreibe das doch noch etwas genauer.

Gruss Andreas
-Flyware-

PS:
Wo hast du deine Daten von der Super Nylon 7"x4" her, die weichen doch sehr von den Geck-Daten ab?
Sind das selbst gemessene Werte oder auch aus einem Program?

Xtoph
14.07.2002, 22:01
Hallo Andreas,

Deine Idee, einen Motor nach Teillastbedingungen zu bewerten ist gut.

Meiner Meinung nach sollte ein Motor, der hauptsaechlich in Teillast betrieben wird, so an das Modell angepasst werden, dass der Wirkungsgrad des Motors/Regler im meist genutzten Teillastbereich sein Maximum hat. Gegen Leistungsmaximum sollte die Wirkungsgradkurve schon lang auf dem abfallenden Ast sein.

Nach Deiner Rechnung muesste der Quotient bei guter Anpassung an die Betriebsbedingungen groesser 1 sein.

Das hat aber doch nix mit der Guete des Motors zu tun, sondern mit der optimalen Anpassung des Motors an die Betriebsbedingungen.

Wie seht Ihr das?

Gruss
Christoph

Xtoph
14.07.2002, 22:02
Hallo Andreas,

Deine Idee, einen Motor nach Teillastbedingungen zu bewerten ist gut.

Meiner Meinung nach sollte ein Motor, der hauptsaechlich in Teillast betrieben wird, so an das Modell angepasst werden, dass der Wirkungsgrad des Motors/Regler im meist genutzten Teillastbereich sein Maximum hat. Gegen Leistungsmaximum sollte die Wirkungsgradkurve schon lang auf dem abfallenden Ast sein.

Nach Deiner Rechnung muesste der Quotient bei guter Anpassung an die Betriebsbedingungen groesser 1 sein.

Das hat aber doch nix mit der Guete des Motors zu tun, sondern mit der optimalen Anpassung des Motors an die Betriebsbedingungen.

Wie seht Ihr das?

Gruss
Christoph

Jürgen Heilig
15.07.2002, 08:19
@Andreas: Frank hat meine Ausführungen richtig verstanden. Der feste Betriebspunkt macht m.E. nur bei einem Hubschrauber Sinn, wobei der Betriebspunkt z.B. die Schwebeflugleistung sein kann.
Ich habe den Hinweis auf das Geck'sche Programm übersehen. Meine Werte stammen aus dem Programm ThrustHP (Master statt Graupner Nylon) aber auch hier gilt die Näherung: Wellenleistung ist proportional Drehzahl hoch drei. :) Jürgen
P.S.: Bei Messungen an Luftschrauben ist das stets so eine Sache mit Messfehlern. Selbst Luftschrauben gleicher Größe vom selben Hersteller sind oft unterschiedlich, aber solange du stets die gleiche Luftschraube verwendest, benötigst du für die gleiche Drehzahl die gleiche Wellenleistung.

Frank R
15.07.2002, 12:00
Hallo,

ich habe Jürgens Methode so verstanden, dass die Leistungsaufnahme der Luftschraube einfach proportional zur Drehzahl hoch 3 angesetzt wird. Reduziert man die Drehzahl mit dem Steller, muss man Drehzahländerung hoch 3 vergleichen mit dem Rückgang der Leistungsaufnahme des Stellers.

Frage: Ist die Leistungsaufnahme der Luftschraube ausreichend genau proportional zur Drehzahl hoch 3?

Gruß,
Frank

Christian Lucas
15.07.2002, 21:47
Hallo Allerseits,
ich meine die Methode die Andreas vorgeschlagen hat ist vollkommen in Ordnung da ja die Verluste
im Steller un Motor gemessen werden sollen und nicht eine Luftschrauben kennlinie ermittelt werden soll.H.Lehner und ich haben diese Methode
auch am Prüfstand angewandt um die Verluste Verschieden dicker Magnetscheiben an Scheibchen Rotoren zu ermitteln.Große Maschienen werden auch bei Konstanten Drehzahlen mit verschiedenen Strömen beaufschlagt,dabei hält die Bremsmaschiene alles auf der Konstanten Drehzahl und dazwischen wird mittels Momentenmesswelle das Drehmoment ermittelt.Damit kann bei allen möglichen Drehzahlen von null bis vollschub eine ganze menge Verlustleistungen ermittelt werden.

heinzi
16.07.2002, 07:53
hallo zusammen

@sky walker und wfly:
eigentlich erfolgt die, von andreas vorgeschlagene messung nicht immer im gleichen betriebspunkt. wir messen zwar immer die gleiche leistung. zum betriebspunkt gehört aber auch die spannung und der strom.
zu einer gewünschten (konstanten) leistung gibt es quasi eine unendliche vielzahl von spannungs/strom kombinationen, was immer einen anderen betriebspunkt darstellt. wird die spannung erhöht so muss der strom immer weiter "zerhackt" werden. und das ist es ja was andy interessiert.

aber !

frage an andreas und christian:

ist das verfahren mit der spannungserhöhung (für uns modellflieger) denn praxistauglich? interessieren tut mich doch viel mehr wie sich der motor an einer konstanten "zellen-spannung" (z.b. an 10 zellen) in teillast verhällt.

weiter möchte ich zu bedenken geben, dass die vergleichbarkeit der so gewonnenen daten solange zu wünschen übrig lassen, wie es keinen "genormten" regler gibt. einen motor auf diese art zu "beurteilen" ist unfair. vieleicht ginge der motor an einem anderen regler viel besser. und mit anderem timing vieleicht noch "besserer". :D
beurteilen tut man immer ein gespann aus regler und motor (mit einem bestimmten timing). also vorsicht mit aussagen wie "der motor xyz verhällt sich in teillast "5,6783915%" :D besser als der motor abc"


klaro? ;)

ach gleich noch ne frage:
:confused:
für gleichstrommotoren wird die kennlinie ja doch mit variabler "eingangsspannung" und "unzerhaktem" strom aufgenommen. richtig?
wie geht das übrigens bei drehstrommotoren.?
bei grossmaschinen wohl doch auf die gleiche art. d.h die wechselspannung wird erhöht und der stromfluss ist unzerhakt. wie macht mann das bei unseren "rechteckdrehstrom"-modellmotoren?

[ 16. Juli 2002, 08:02: Beitrag editiert von: heinzi ]

Michael Schöttner
16.07.2002, 09:53
Hallo alle zusammen,
vielleicht sollten wir uns angewöhnen die Strangströme im Motor zu messen und die Reglerverluste für den Vergleich der Motoren außer Acht zu lassen.
Der schlechtere Eta ergibt sich zum Großteil aus den Schaltverlusten des Reglers, denn schnell ein-und ausschalten heißt nicht immer verlustfrei!
Während ein paar ns fällt halt am Endstufentransistor im schlimmsten Fall die halbe Spannung ab und es fließt dann schon ein großer Strom und da U*I immer noch P ist können das zum Teil mehrere 100 W sein. Zum Glück nur für ein paar Nanosekunden!
Von Interesse für uns Modellflieger ist natürlich das Gesamtsystem. Aber wenn man anfangen will zu optimieren, dann muß man schon die Einzelkomponente betrachten.

Schön weiterkommutieren,
Michael

Wfly
16.07.2002, 12:07
Hallo Michael,

so ähnlich habe ich mir das auch schon gedacht und deshalb die Messung von oben mit 8KHz, 16KHz und 32 KHz Tacktfrequenz durchgeführt.

Ergebnis war verschwindend gering und fast nicht messbar.

Gruss Andreas

Michael Schöttner
16.07.2002, 12:35
Hallo Andreas,
heißt das, daß die Verluste im Steller zu vernachlässigen sind? Würde mich etwas wundern, wenn nur der Rds on der Endstufe als Verlust anzunehmen wäre, unabhängig davon, wie hoch man die Endstufe taktet.
Jedenfalls würde das heisen, daß es doch so etwas wie eine "Motorengüte" gibt, welche besagt, wie sich der Motor an verschiedenen Spannungsformen verhält.

Gruß, Michael

Wfly
16.07.2002, 13:48
Hallo Michael,

ja ich habe mich auch etwas gewundert, aber der Hauptanteil der Verluste kommt tatsächlich vom Motor.

@Christian
hast du noch irgendwelche Daten und Ergebnisse des Vergleich´s von Lehner mit den geblechten und ungeblechten Magneten?

Gruss Andreas

KradComTec
16.07.2002, 16:17
Hallo Andreas

Für mich ist dein Test natürlich sehr interessant, da er ja genau so in meinem Heli zum tragen kommt. Interessieren würde mich jetzt aber, an welcher Steller der Motor bei dem Vollgaswert liegt? Ist der noch vor dem Max. Wirkungsgrad, oder wo auf der Kennlinie befindet sich der Motor?
Man müsste den Test mal mit einem FlyWare 350/25-16 10P machen, und dann für Drehzahlen 15000, 16000 und 17000U/Min.
Diesen Helimotor zu testen wäre schon sehr interessant, da mein Prüfstand bei den zu testenden Leistungen von 400-ca. 1000W doch etwas zu schwach ist.

Michael Schöttner
17.07.2002, 13:49
Theorie:
Nehmen wir doch mal an, wir betreiben einen LRK 350-25-18x2x0,8 (weil ich so einen zufällig habe). Er weist einen Ri von 18mOhm/Wicklung, d.h. weil ja 2 in Reihe verschaltet sind, 36mOhm von Strang zu Strang auf. In den Stellern werden Mosfets verbaut, die zwischen 7 und seit neuestem 2mOhm Innenwiderstand aufweisen. Davon werden noch welche parallel geschaltet und das reduziert den Rds on pro Strang bestenfalls auf 1mOhm (Stellerhersteller mögen mich berichtigen, wenn sie besser sind).
Das währen immer noch gut 2,7% Spannung, die am Steller hängen bleiben, wenn dieser zu 100% durchschaltet (100% PWM). Beim Einsatz guter Vollbrückentreiber wird für das Einschalten ca. 100ns benötigt und für das Ausschalten gut 50ns. Mit ein paar schaltungstechnischen Tricks kann das noch etwas reduziert werden.
Wird mit 8kHz getaktet, so passiert das ganze also 8000 mal pro Sekunde. 8000 mal 150ns sind nach Adam Riese 1,2ms in denen die Endstufe nicht richtig durchgeschaltet hat. Das sind prozentual zu 1 Sekunde 0,12%. Bei doppelter Frequenz sind es dann auch doppelt so viele Prozent. Nicht richtig durchgeschaltet heißt dabei so viel, dass die Spannungsflanke eine Steigung aufweißt, die man als Gerade mit einer Steigung idealisieren kann. Was noch nicht berücksichtigt ist, ist das delay (Verzögerung zwischen einschalten der Highside Transistoren und der direkt darunter befindlichen Lowside Transistoren) damit die Endstufe nicht gleich abraucht. Wählt man diese Zeit zu kurz, werden die Transistoren warm und ein Teil des Stromes fließt über einen Transistor am Motor vorbei. Wählt man die Zeit zu lang, so fehlt es mir wieder an der Spannung am Motor.
Wie man sieht, spielen viele Faktoren eine Rolle, wie viel Verlust beim Steller zu suchen ist und aus diesm Grund sollten wir immer Strangströme und Spannung am Motor messen. Vergleicht man dann mit dem, was vorn am Steller reingesteckt wird, hat man eine sehr gute Bewertung des Stellers und dessen Verluste.
Anmerkung:
Das sind alles Überschlagsrechnungen aus dem Kopf. Sollte jemand ganz andere Zahlen haben, laß ich mich gerne davon überzeugen.

@Andreas: Messe vor dem Steller und dahinter!

Gruß, Michael und immer schön weiterkommutieren!

Christian Lucas
17.07.2002, 21:18
Hallo Andreas und Michael,
Irgendwo habe ich noch die Werte muss aber erst
ein bischen Suchen.
Michael ich habe zwar auch nicht direkt die Verluste am Steller gemessen aber ich meine auch das sie im Teillastbetrieb nicht zu unterschätzen sind,nicht umsonst sind bei denn letzten Straight Away Bootsrennen reihenweise die Steller beim
hochbeschleunugen bei Teillast abgeraucht.Sicherlich waren da auch die hohen Teillastströme um die 100 A schuld aber I² x R gilt und da kommt schon ein ganz schöner Lötkolben zusammen.

Michael Schöttner
18.07.2002, 07:47
Hallo Christian,
danke für die Bestätigung. Ich bin der Meinung man sollte wie "damals" bei den bürstenbehafteten Motoren dort optimieren, wo am meisten zu holen ist. Man hatte dort nämlich mal "Tuningkohlen" eingeführt und da ein Brushlesssteller nichts anderes ist, als ein elektronischer Kommutator, sollte man sich um dessen tuning besonders kümmern.
@Andreas: Mach Deine Messung mit 2 verschiedenen Stellern (ich nehme an, daß Du mit Jeti gemessen hast. Vergleich mal mit dem neuen Beat, dann wird's ganz deutlich! Wenn Du willst, borg ich Dir meinen zum Messen) Die Messung bei 100%PWM müßte die unterschiedlichen Innenwiderstände der Endstufen aufzeigen, das Verhalten im Teillastbereich zeigt deutlich die Schaltverluste.

Gruß, Michael

Wfly
18.07.2002, 10:27
Hallo Michael und Christian,

es bleiben sicher ein paar Watt im Steller hängen. Der Anteil im Vergleich zum Motor ist aber relativ gering.

Ich nehme dein Angebot aber gerne an und teste mal den Beat im Vergleich zum Jeti.

Wobei ich mir aber sicher bin, dass der Unterschied wirklich nur minimal sein dürfte.

Schaut man sich mal den Innenwiderstand vom Motor / Regler an, so ist das Verhältnis der reinen ohmschen Verluste ca. 20/1

Geht man nun in den Teillastbereich, so nehmen die Verluste natürlich stark zu. (Was ja aus den Messungen zu sehen ist).

Wenn die hauptsächlichen Verluste vom Regler kommen würden, müssten die Verluste beim Umstellen von 8 Khz auf 32 Khz der PWM einen enormen Zuwachs nehmen. Was aber bei meinem Versuch nicht der Fall war.

Ich werde aber sicherheitshalber die Messung nochmal wiederholen.

@Christian

Die extremen Rennen in der USA fordern die Regler natürlich ganz gewaltig.

Soweit ich weiss werden die Boote bei Vollgas mit ca. 100A gefahren. Da beim Anfahren die last an den extrem niederohmigen Motoren noch höher ist, dürfte da die Strombegrenzung (falls überhaupt vorhanden) sehr kritisch reagieren. Um einen Regler zu schrotten reichen da meist schon ein kurzer Impuls von 200-300A im Teillastbereich aus.

Gruss Andreas

Wfly
18.07.2002, 11:19
Hallo,

habe die Vergleichsmessung bei verschiedener Taktfrequenz durchgeführt.

Ergebniss:

Motor 350/10 - 10,5W - 10pol

Vollast 15220U/min 7V 34,4A > 240,8W
Teillast 15220U/min 10,3V 25,7A @32KHz >264,7W
Teillast 15230U/min 10,5V 25,2A @16KHz >264,6W
Teillast 15220U/min 10,04V 26,8A @8KHz >269,1W

Bei 8 Khz wird im Teillastbereich bei 10,5W sogar noch mehr Energie benötigt als bei 16KHz und 32KHz.

Eventuell kommt das von der relativ niedrigen Windungszahl und der damit verbundenen geringeren Induktivität des Motors

Gruss Andreas