Электричество - это просто или нет?

Бурное развитие силовых электроприводов в моделях вертолетов привлекли в последние годы в наше хобби большое количество новых людей, что, конечно, не может не радовать. Но как побочный эффект родилось несколько устойчивых мифов, как то:

  • электричество это просто
  • напряжение силовых батарей определяется только конструкцией и компоновкой модели
  • надо летать динамичнее – просто поставь мотор помощнее
  • настройка гувернера – это сложно, лучше летать на кривых
  • не обязательно использовать батареи с большим «С»
    Если говорить о моделях хобби-уровня (комбо-китах), то в основном можно согласиться. Но вот если шагнуть немного дальше в спорт – все меняется в корне.
  1. Просто или нет электричество? Вы ответите сами, дочитав эту статью до конца. Я же со своей стороны не буду в ней глубоко «нырять» в подробности и технические детали и описывать теорию и математику процессов.

  2. Напряжение.
    По важности я бы поставил это параметр на первое место. Простое правило электротехники гласит «выше напряжение - ниже потери - выше кпд и мощность».
    В вертолетах это выглядит примерно так:

  • при необходимой потребляемой рабочей мощности модели 500-класса ок 1200Вт,
    потребляемый ток на батареях ЛиПо 4S составит 72А, на 6S =46А, на 8S=34А.
  • в этих случаях потери на внутренних и переходных сопротивлениях батарей+проводов+разъемов+контроллера+мотора составят для 4S =291Ватт или 24%, для 6S =135Ватт или 11%, для 8S =83Ватт или 7%.
    Оказалось, что при удвоении напряжения в 2 раза потери уменьшились в 3,4 раза!
    В целом, после многократных теоретических расчетов и практических экспериментов, я пришел к простой эмпирической формуле расчета напряжения силовых батарей для динамичного полета:
    необходимое рабочее напряжение = (вес модели (кг) + диаметр ротора (м)) * 10
    Uv=(Pkg +Dm) * 10
    205мм (250 класс) = (0,35 + 0,48) * 10 = 8,3в - 2-3S
    325мм (450) = (0,8 + 0,72) * 10 = 15в - 3-4S
    430мм (500) = (1,8 + 0,98) * 10 = 28в - 6-8S
    550мм (550) = (2,8 + 1,20) * 10 = 40в - 10-12S
    620мм (600) = (3,8 + 1,34) * 10= 50в - 12-14S
    710мм (700) = (5,2 + 1,55) * 10= 67в - 16-18S

Предвидя возмущение «я на 600-ке на 6S классно летаю» или «на 700-ке 12S достаточно, 16-18S – это слишком» советую попробовать и сравнить. Эффект будет поразительный.
Где можно сэкономить – это на «флайбарлесс» моделях. Экономия мощности за счет отсутствия флайбара такова, что для них можно смело снизить напряжение на 10-12%.

  1. Электромоторы.
    Увидев в паспорте мотора максимальную мощность, вы должны четко понимать что это мощность ПОТРЕБЛЯЕМАЯ мотором при максимальной нагрузке. Реальная же мощность на валу у синхронного трехфазного модельного электромотора составит 65-70% потребляемой (это общее КПД, не путать с эффективностью/efficiency – электрическим КПД). Это одна из причин, почему например на .90/700 вертолете ДВС 3,6л/с выглядит значительно динамичнее Электро 4кВт (5,3л/с).
    Подбор электромотора.
    Первый параметр который нам надо определить – обороты на вольт электромотора (RPM/volt , Kv). Этот параметр всегда указывается в паспорте. Выбирается он просто:
    Требуемые обороты на вольт электромотора = (Максимальные обороты ротора * Гл шестерня) / (3,14* Количество ЛиПо * Ведущая шестерня)
    Kv=(Rotor * N) / (3,14 * S * n)
    Максимальные обороты ротора модели обычно указаны в ее инструкции. Если нет, то примерно:
    205мм (250 класс) = 4000 об/мин
    325мм (450) = 3400
    430мм (500) = 2800
    550мм (550) = 2300
    620мм (600) = 2100
    710мм (700) = 1800

Самыми важными параметрами в подборе электромотора есть его максимальный продолжительный рабочий ток (Icont, continuos) и максимальное рабочее напряжение (Umax). Именно произведение этого тока на рабочее напряжение даст вам примерную максимальную потребляемую рабочую мощность Pcont = Icont * Umax. На паспортные максимальную мощность и кратковременный максимальный ток (Max, Peak, 15-30sec) смотрите просто для информации - они характеризуют только кратковременную перегрузочную способность мотора. Определить необходимые рабочие токи и мощности можно из такой таблицы:
205мм (250 класс) = 20А / 200Вт
325мм (450) = 35А / 400Вт
430мм (500) = 50А / 1200Вт
550мм (550) = 50А / 1800Вт
620мм (600) = 65А / 2600Вт
710мм (700) = 65А / 3800Вт

Для достижения максимальной мощности на валу и максимального КПД мотор должен работать на максимальных же рабочих оборотах. Это стандартное правило механики «мощность равна работе поделенной на время» а для электромотора «моменту умноженному на обороты». Момент у нас определяет рабочий ток, а обороты – рабочее напряжение и конструкция мотора (сколько допустимо по механическим характеристикам). Соответственно, если мы используем мотор на пониженных оборотах, то для достижения необходимой мощности нам нужен больший момент, а значит ток, а значит – большие потери и уменьшение КПД.
Как узнать максимальное рабочее напряжение мотора? Обычно в паспорте указывают максимальное количество ЛиПо батарей (ЛиПо 1S=3,7В). Бывает указывают максимально допустимые обороты, тогда напряжение определяем разделив их на паспортные обороты на вольт Umax = RPMmax / Kv.
Как узнать максимальный рабочий ток мотора (Cont, Continuous) ? Обычно в паспорте мотора указывают максимально допустимый кратковременный (Max, 15-30sec) - это не тот параметр. Здесь есть два варианта: если в паспорте указана максимальная рабочая мощность (не пиковая), то ток будет равен мощности поделенной на напряжение Icont = Pcont / Umax; если в паспорте только “пиковые” значения (Peak) - тогда берем такое значение тока разделив его на 1,5, Icont = Imax / 1,5 , и Icont = Ppeak / (Umax * 1,5).
Теперь простой пример расчета:
Мотор для модели 500-класса с ЛиПо 6S и рабочей мощностью от 1200Ватт.
Необходимые обороты на вольт = 2800*102 / 3,14*6*15 = примерно 1010 об/Вольт (RPM/volt, kV).
Смотрим на предложения производителей и подбираем мотор с такими данными:
Motor Kv 1000 RPM/volt (обороты близки к требуемым)
Max Continuous Current 62 Amps (макс рабочая мощность 62А*6S*3,7В= 1376Ватт – с запасом).
Max Lipo Cell 6s (максимальное напряжение соответствует нашим батареям).

Конечно смотрим мы на моторы авторитетных, проверенных брендов. Не стоит напоминать, что малоизвестное и дешевое обходится зачастую в конце концов очень дорого.

  1. Контроллеры с гувернерами.
    В электрике гувернер (стабилизатор оборотов) вещь необходимая. В плавных полетах можно пользоваться кривыми газа. В динамичном же полете в начале, середине и в конце мы практически имеем три разных модели – из-за «просаживания» батареи при разряде на том же 500-м вертолете средние обороты ротора в начале и в середине полета уже отличаются на 4-5%, а ближе к концу на 7-9%.
    Конечно простые «стоковые» контроллеры не обеспечивают глубины и большой точности работы гувернера, но тем не менее модель летает и управляется гораздо более адекватно чем на кривых газа.
    Вопреки расхожему мнению, гувернеры в спортивных контроллерах настраиваются достаточно просто, и подробное описание методики настроек есть на многих сайтах. При этом спортивные контроллеры работают значительно линейнее простых и не «садят» на себя много мощности, что дает дополнительный выигрыш по динамике и времени.
    И еще. Подбирая новый контроллер не скупитесь, и берите хотя бы с 1,5 кратным запасом по току от расчетного максимального рабочего. Дело в том, что под резкими нагрузками 2-х кратное превышение максимального рабочего тока в порядке вещей. При этом контроллер нагревается что повышает его внутреннее сопротивление, и вызывает снова еще больший нагрев и большие токи. Поэтому заводского “запаса прочности” контроллера просто может не хватить.

  2. Батареи.
    Свежезаряженная батарея при рабочей нагрузке (С) «просаживается» на 6-8%,
    а на максимально допустимой нагрузке – на 12-14%. В середине разряда эти показатели еще больше. Не говоря о том, что это снова потери мощности и КПД, такие «просадки» напряжения вызывают еще большие пики токов и соответственно большую нагрузку на аккумуляторы. Поэтому нагрузочную способность батарей надо подбирать такой, чтобы максимальный рабочий ток модели был примерно в 1,5 раза ниже рабочей нагрузки батареи. Если использовать рассчитанные выше рабочие напряжения, то будет достаточно использовать батареи 25С (35С макс).
    Конечно, речь идет об аккумуляторах серьезных, проверенных производителей. Об аккумуляторах новых, недорогих марок сказать ничего не могу – их «вольты-амперы-ватты» отличаются от общепринятых и пока еще мало изучены 😉.

ДД.
Киев 2010
RC Helicopters Ukraine

  • 2237
Comments
roytman

Огромное спасибо за статью, скопировал себе и загнал на флешку, я думаю пригодится в будущем не раз.

Maxwell

Спасибо, полезная статья.

Kulichik

Дмитрий!
Читаю все Ваши эссе, но сейчас не удержусь от благодарных комментариев!
Чётко, убедительно, ясно!
Спасибо!

vladirur

Реальная же мощность на валу у синхронного трехфазного модельного электромотора составит 65-70% потребляемой (это общее КПД, не путать с эффективностью/efficiency – электрическим КПД). Это одна из причин, почему например на .90/700 вертолете ДВС 3,6л/с выглядит значительно динамичнее Электро 4кВт (5,3л/с).

Познавательно, но хочется прояснить один момент:
если в этом предположении для электрички реальная мощность находится в диапазоне 3,45-3,7 лс (5,3*65% или 70%), то откуда взяться заметному различию с ДВС 3,6 лс ?

strannik

Спасибо, очень познавательная и полезная статья, но меня задела 1 фраза

В электрике гувернер (стабилизатор оборотов) вещь необходимая.

ИМХО гувернер необходим только на ДВС двигах (о чем я многократно слышал от АСов и просто опытных моделистов). На электричках же, это скорее “на любителя”, т.к. на ДВС движках весь полет (вполть до конца бака) мотор может работать без перенапяга, а вот на электрике, когда просаживается аккум, а с него требуют все те же обороты, что и в начале, всей электронике может стать плохо из-за еще большей просадки. К тому же, с гувернером можно заметить сильную неожиданную просадку силшком поздно, когда уже всё откажет совсем, а так пилот просто чувствует, что модель становится вялой слишком рано и сажает её для разборок, в чем дело.

Deem
vladirur;bt29373

Познавательно, но хочется прояснить один момент:
если в этом предположении для электрички реальная мощность находится в диапазоне 3,45-3,7 лс (5,3*65% или 70%), то откуда взяться заметному различию с ДВС 3,6 лс ?

электрика тяжелее. вес 700-й электрички и .90 двс отличается примерно 10-12%

Deem
strannik;bt29376

ИМХО гувернер необходим только на ДВС двигах (о чем я многократно слышал от АСов и просто опытных моделистов). На электричках же, это скорее “на любителя”, т.к. на ДВС движках весь полет (вполть до конца бака) мотор может работать без перенапяга, а вот на электрике, когда просаживается аккум, а с него требуют все те же обороты, что и в начале, всей электронике может стать плохо из-за еще большей просадки. К тому же, с гувернером можно заметить сильную неожиданную просадку силшком поздно, когда уже всё откажет совсем, а так пилот просто чувствует, что модель становится вялой слишком рано и сажает её для разборок, в чем дело.

боюсь что ваше мнение основано на простых (стоковых) гувернерах и слабых батареях. или вы не разобрались в его настройке.
с нормальным гувернером даже на “мягких” а123 весь полет проходит по динамике практически однородно.
в отношение двс. имхо - здесь не все так однозначно. лично я не большой любитель. на тех же чм нет ни одной электричке “на кривых”, но масса двс без гувернеров (когда-то 3-х кратный чемпион мира мне сказал - лучший гувернер-твое ухо 😉 ).

Deem
Kulichik;bt29346

Читаю все Ваши эссе, но сейчас не удержусь от благодарных комментариев!

😉

HikeR

Свежезаряженная батарея при рабочей нагрузке (С) «просаживается» на 6-8%,
а на максимально допустимой нагрузке – на 12-14%. В середине разряда эти показатели еще больше.

сильно-сильно не соглашусь. натурные опыты и разглядывание графиков с логгеров дают понять, что самая сильная просадка идет только в начале (ну и в самом конце, если мы превысили лимит по емкости). то есть с 4.2В сразу сваливаемся до 3.9-4.0, потом при той же нагрузке идет практически ровная полочка до 3.6В, резкий спад до 3.3В, и неконтролируемое падение ниже. вобщем кривая разряда по сути - “прямая” на рабочем участке.
сильные акки или слабые, именитые или не очень - у всех поведение одинаковое, разница лишь в заявленом и реальном количестве “С”.

а вот инфу по моторам надо в обязательном порядке давать прочитать всем тем, кто нужные обороты выставляет заменой пиньонов, а не заменой моторов.

Конечно смотрим мы на моторы авторитетных, проверенных брендов.

а вот тут не удержусь. может подскажете какой авторитетный бренд, который указывает обороты с максимальным крутящим моментом? эта цифра немного более интересна, чем даже правдивое указание максимальной потребляемой мощности.

далее имхо: максимально допустимое напряжение зависит лишь от kV.

  • пусть у нас есть мотор 3000kV и мощностью в 200Вт. не принимая сейчас во внимание эффективность запустим его от идеального источника питания с напряжением 3.7В и будем нагружать ротор до достижения максимальной мощности. сможет мотор (обмотки) выдержать 54 ампера?
  • вторая ситуация, увеличиваем напряжение до 37В (10S). в теории не превышая паспортную мощность можно нагрузить мотор до потребления 5.4 ампера. а на практике довольно интересно будет посмотреть, что произойдет быстрее - сдохнут и заклинят подшипники или разорвет ротор при 111000 об/мин?
Deem
HikeR;bt29409

сильно-сильно не соглашусь. натурные опыты и разглядывание графиков с логгеров дают понять, что самая сильная просадка идет только в начале (ну и в самом конце, если мы превысили лимит по емкости)…
а вот тут не удержусь. может подскажете какой авторитетный бренд, который указывает обороты с максимальным крутящим моментом? эта цифра немного более интересна, чем даже правдивое указание максимальной потребляемой мощности.
далее имхо: максимально допустимое напряжение зависит лишь от kV…

  1. если данные получены на стандартных логгерах, то погрешность +/-10% в порядке вещей. во вторых новые и не новые батареи сильно отличаются, не говоря уже даже об отличиях даже между батареями одного типа и производителя. в третьих условия и тип эксплуатации (вертолет или самолет) тоже показывают различные значения.
  2. макс допустимые обороты определяет изоляция обмоток (пробой), способ крепления магнитов (ц.б и ц.с силы), тип и нагрузочная способность подшипников, способ крепления вала в роторе, тип мотора ин или аут.
    производителей которым доверяю называть не буду 😃
HikeR
  1. а причем тут погрешность измерительного прибора если речь идет о виде кривой разряда? погрешность просто сдвинет ее, а не изменит вид или форму. не зря же напряжение липолек указывают как 3.7В, а не 4.0, в идеале именно это напряжение и получается под нагрузкой в процессе разряда.
    с новыми и не новыми акками ситуация та же самая, под одной нагрузкой “полочка” будет проседать и больше “закругляться” по краям.

да, и зачем вы пользуете логгеры с 10% погрешностью? ;)

  1. ну вот вроде и пришли к заключению, что на напряжение смотреть не надо, эта цифра ни о чем. по kV мотора мы выбираем количество ячеек в акке, по указанной мощности стремимся не превышать кушаемый ток, и надеемся, что полученные обороты являются самыми эффективными.

  2. я не просил раскрывать тайну ваших доверительных отношений, мне интересно есть ли хоть один производитель, который проводит детальные измерения своей продукции и сообщает о них своим покупателям, а не просто ограничивается “это самый подходящий мотор для такого-то верта”?
    мифические типы используемых магнитов и марки подшипников никто просто так не возьмет и не проверит, поэтому эта инфа встречается очень часто, а вот действительно нужные цифры скрывают, мягко говоря :(

вот вы в своих расчетах твердо стоите на том, что производитель сообщает правдивые характеристики, однако почему не смущает тот факт, что все эти “номинальные”, “кратковременные”, “предельные” и прочие цифры никем не стандартизированы? производители акков емкость измеряют при разряде с 4.25В до 2.9В, что допустимо, но никто в здравом уме так делать не будет; “кратковременная” мощность для мотора может оказаться меньше секунды, зато цифра иногда потрясает; “номинальная” приведет к нагреву до 80-100 градусов; предыдущий пункт иногда покрывают “а у нас стоят магниты 50SH, им не страшно”, но при этом покрывают эти магниты цинковым сплавом и забывают о подшипниках (на них гарантию никто не дает)…

мысли-то у вас изложены совершенно правильные, но вот слепая вера в честность даже очень маститого бренда ни к чему хорошему не приведет.

Deem
HikeR;bt29418
  1. а причем тут погрешность
  2. ну вот вроде и пришли к заключению
  3. я не просил раскрывать тайну
    вот вы в своих расчетах твердо стоите на том…
  1. статья написана как популярное изложение основных принципов.
  2. в ней я высказал свою точку зрения как:
  • инженер, автор ряда разработок и патентов.
  • пилот-тестер нескольких производителей.
  • вертолетчик с 11 летним стажем (в т.ч. 4-5 в больших электро).
  1. в комментах отвечу на вопросы по статье (если что-то не понятно изложено). обсуждать методики, погрешности, статистику, математику процессов смысла не вижу.
vladirur
Deem;bt29377

электрика тяжелее. вес 700-й электрички и .90 двс отличается примерно 10-12%

не заметил разницы: вес заправленного 700N 10-12 фунтов , вес заряженного 700E 9.3-12 фунтов
или это статистика, обсуждение которой бессмысленно?

Deem
vladirur;bt29426

не заметил разницы: вес заправленного 700N 10-12 фунтов , вес заряженного 700E 9.3-12 фунтов
или это статистика, обсуждение которой бессмысленно?

классно, только по вашей ссылке на 700Е это вес бесфлайбаров (то есть еще 200гр-250гр или 1/2 фунта)
мои собственные измерения:
двс .90, начало полета 5,25кг, конец 4,74кг
электро 700 (12S 4500мач), начало полета= конец полета 5,35кг
пс. еще у меня тут двс .90 стоит, с заправленным полетным весом 4,91кг. скоро приедет его электро вариант - обязательно взвешу.
для собственной статистики 😉

vladirur

тем не менее двс .90 не поспевает за электрическим хензеляйтом с весом 4.2 кг и рекордом скорости в 200 км\ч (ссылка 😃)

Deem
vladirur;bt29431

тем не менее двс .90 не поспевает за электрическим хензеляйтом с весом 4.2 кг и рекордом скорости в 200 км\ч (ссылка 😃)

не агитируйте меня за электрику - сам агитатор 😉
просто в большом размере сейчас это дорогая “напичканная” техника, которая если летает “весело”, то совсем не долго.
пока же реально конкурировать можно до 600 - .50 размера. больше - только вопрос времени, и надеюсь, не такого далекого.