Teplota regulátora v rôznych režimoch: 1. s motormi s vysokým Kv
V komentári k článku "Voľnobeh v modeloch poháňaných elektropohonom" sa objavilo upozornenie na riziko pri lietaní s nízkymi otáčkami elektromotora (teda aj pri voľnobehu), kedy by regulátor mal mať pri inom režime ako na plný plyn vysoké straty.
autor: Janko O.
Že je to tak pri regulátoroch pre jednosmerné (brushed) motory, to sme vedeli, ale že by to malo univerzálne platiť aj pri regulátoroch pre striedavé (brushless) motory, to nás zaskočilo. Navyše sme si uvedomili, že náš štýl lietania je podobný, ako náš štýl jazdy autom: plyn na plno dávame len zriedka a len krátkodobo, väčšinou je niekde "medzi". Potvrdili to aj zábery z minikamery, kde zvuk dúchadla "jačal" naplno len zriedka a krátko, väčšinou sa otáčky motora pohybovali medzi 30-timi až 50-timi percentami z maxima.
Keby to bolo tak, ako je v úvode spomínané, tak by regulátory v našich modeloch poháňaných elektrickými dúchadlami (EDF), ako Fantom, Black Sabbath, Squall mali byť už dávno "upečené". Nedalo nám to pokoja, "chrobák" do hlavy bol nasadený. A tak sme sa po čase rozhodli, že jediný objektívny spôsob ako zistiť pravdu, je praktické overenie.
Najprv je treba si uvedomiť, na akom princípe pracujú regulátory modelárskych motorov (ESC - Electronic Speed Controller):
- Regulátory jednosmerných motorov sú podstatne jednoduchšie, ako regulátory striedavých motorov a ich princíp regulácie otáčok je založený na regulácii veľkosti jednosmerného prúdu, ktorý motorom preteká. Namiesto stratovej lineárnej regulácie, kde regulačný prvok je zaťažovaný pretekajúcim prúdom a súčasne aj úbytkom napätia na ňom, je použitá oveľa úspornejšia impulzová regulácia, konktrétne PWM (Pulse Width Modulation).
Nízke straty pri použití impulzovej regulácie sú spôsobené tým, že v čase impulzu - maximálneho prúdu, je síce naplno zopnutý regulačný prvok zaťažovaný vysokou hodnotou pretekajúceho prúdu, ale úbytok napätia na ňom je malý, takže aj stratový výkon (súčin prúdu a napätia) je malý. V čase medzery - nulového prúdu, je síce na regulačnom prvku určité napätie, ale stratový výkon je takmer nulový, vďaka takmer nulovému prúdu.
K významnejším stratám a teda ohrevu regulačného prvku dochádza len vo veľmi krátkych časových úsekoch (rádovo mikrosekundy), keď regulačný prvok prechádza zo stavu rozopnutého do stavu zopnutého a naopak, pretože v tomto stave ním tečie aj určitý (nie malý) prúd, a je na ňom aj určitý (nie malý) úbytok napätia. K tomu treba prirátať ešte aj prúd, ktorý tečie (v okamihu rozopnutia tranzistora) z motora (je spôsobený jeho indukčnosťou) cez diódu, ktorá sa tiež nachádza v regulátore.
Takže stratový výkon dosahuje na veľmi krátky časový úsek pomerne vysoké hodnoty. Tento prechodný stav sa opakuje niekoľko tisíc krát za sekundu. Čím väčší počet prechodných stavov za jednotku času, tým väčšie straty a tým väčšie ohrievanie regulátora. Je teda zrejmé, že najnižšie straty a teda najmenšie ohrievanie regulátora je vtedy, keď je motor vypnutý (nehreje takmer vôbec), alebo keď beží na plno (hreje mierne). Keď je plynová páka niekde "medzi", tak sú straty najväčšie a regulátor sa ohrieva najviac. Samotný princíp PWM vysvetľujú obrázky.
.jpg)
.jpg)
- Regulátory striedavých motorov pracujú na princípe, ktorý je podrobne popísaný v článku "Snímanie otáčok elektromotorov" na tejto Web stránke. Spínacie tranzistory (minimálne ich je šesť, ale väčšinou oveľa viac) v takýchto regulátoroch nemôžu byť trvalo zopnuté ani vtedy, keď je páka plynu na plno (na rozdiel od regulátorov jednosmerných motorov), pretože aj vtedy musia vhodným spínaním a rozpínaním z jednosmerného prúdu "vyrobiť" prúd striedavý a navyše trojfázový.
.jpg)
Preto straty na regulátore sú nulové len vtedy, keď je motor vypnutý. Akonáhle sa striedavý modelársky motor točí, dochádza k spínaniu a vypínaniu tranzistorov, tým vznikajú spomínané straty a regulátor sa hreje, a to aj vtedy, keď je plynová páka na plno. Straty a ohrev niekedy mierne narastajú aj s odoberaným prúdom, pretože sa uplatňujú straty na spínacích tranzistoroch v zopnutom stave, zatiaľ čo straty spôsobené prechodnými stavmi sa nemusia počas behu motora výraznejšie meniť. A tu je pes zakopaný: tu veľmi záleží aj od pripojeného motora, konkrétne od jeho napäťovej konštanty Kv. Ale tento článok sa venuje motorom poháňajúcim EDF, teda motorom s vysokým Kv.
To je podstatný rozdiel oproti regulátoru jednosmerného motora.
A teraz k samotnému priebehu merania: Meranie prebehlo pri izbovej teplote asi 22 stupňov Celzia, teda v izbe paneláku, z čoho bola manželka celá „bez seba“. Merali sme tak, že sme na 30 Ampérový regulátor striedavého motora pripevnili kontaktný elektronický teplomer. Pred každou motorovou skúškou sme zmerali teplotu regulátora "za studena". Motor (poháňajúci 64 mm dúchadlo, teda motor s vysokým Kv, konkrétne 4000 ot/V) sme najprv nechali bežať na plno (regulátor bol ovládaný signálom zo servo-testera MT-1) po dobu 60 sekúnd, potom sme ho vypli a zaznamenali najvyššiu teplotu, na ktorú sa teplomer potom ešte "vyšplhal" (prestup tepla z vnútra regulátora na povrch). Odoberaný prúd sme merali prístrojom Watts Up.
Ďalšie meranie sme uskutočnili pri dvoj-tretinovom prúde (voči prúdu v režime na plno), ďalšie pri tretinovom prúde a posledné pri prúde 2 Ampére, čo je približne prúd, zodpovedajúci režimu "voľnobeh". Vždy po každom meraní sme samozrejme nechali regulátor vychladnúť a nabili sme batériu, aby boli podmienky merania totožné. Vždy bola doba behu motora 60 sekúnd a vždy sme zaznamenali najvyššiu teplotu, na ktorú sa teplomer "vyšplhal". Regulátor bol len čiastočne ofukovaný prúdom vzduchu z dúchadla.
Namerané výsledky (s motorom s vysokým Kv):
- Maximálny prúd (27 A) - nárast teploty o 28,5 stupňa Celzia
- Dvojtretinový prúd - nárast teploty o 26,6 stupňa Celzia
- Jednotretinový prúd - nárast teploty o 19,9 stupňa Celzia
- Voľnobežný prúd (2 Ampére) - nárast teploty o 9,1 stupňa Celzia
Z dosiahnutých výsledkov merania vyplýva, že regulátory striedavých motorov s vysokým Kv (na rozdiel od regulátorov pre jednosmerné motory a regulátorov striedavých motorov s nízkym Kv ) sa správajú predvídateľnejšie a ich ohrev je úmerný odoberanému prúdu. To znamená, že sa pri nižšom zaťažení hrejú menej ako pri vyššom a používanie tzv. voľnobehu, ktoré sa v niektorých dúchadlových modeloch veľmi osvedčilo, nie je nijako rizikové.
Súvisiace články:
Prúdy tečúce elektromotorom pri rôznych letových režimoch
Priebehy prúdov a napätí v obvode elektropohonu
Snímanie otáčok elektromotorov
Rušenie spôsobené regulátorom (ESC)