Zasilanie z dynama NX30

Strona została przebudowana i zrezygnowałem z chronologicznej kolejności przedstawiania faktów, a zostawiłem jedynie najbardziej przydatne dane na stronie głównej, pozostałe informacje przenosząc do podstron.

Historia

W 2002r udało mi się kupić piastę z dynamem NX30. Wcześniej używałem oświetlenia bateryjnego, więc poza samym kołem z dynamem musiałem wymienić całe oświetlenie (inne napięcie itp). Na wszelki wypadek zostawiłem małe LEDowe lampki. Jako przednie oświetlenie musiałem zakupić jakąś lampke na 6V/2,4W. Po kilku odwiedzinach w sklepach trafiłem na lampke Sigma Ellipsoid Plus, która posiada możliwość pracy zarówno na zasilaniu z dynama, jak i z akumulatorow. Eliminuje to podstawową wadę typowego oświetlenia na dynamo - braku oświetlenia podczas zatrzymania, jednocześnie zapewniając sporą moc (w porównaniu ze zbliżonymi wielkością lampkami bateryjnymi) i duży czas pracy oświetlenia (akumulatory pracuja jedynie przez niewielka część czasu). Dodatkowo lampka posiada złącze do podłączenia tylnej lampki, co daje znaczną wygode - jednym przyciskiem włącza się całe oświetlenie roweru.
Zestaw taki (NX30+Sigma Ellipsoid Plus) pracuje dość sprawnie, jednak kilka jego cech powoduje że jednak nie jest to rozwiązanie idealne. Jest to głównie brak ładowania akumulatorów z dynama, co jest zrozumiałe, biorąc pod uwagę, ze lampka jest projektowana na akumulatorki NiCd, które mają silny efekt pamięciowy. Innym problemem jest charakter zasilania z dynama, jest ona bardzo zmienne, czasami wrecz ustaje. Ładowanie akumulatorów z takiego źródła nie jest banalnym problemem. Kolejna wada tej lampki spowodowana jest postępem technologicznym. Coraz lepsze są parametry LED-ów dużej mocy, w tym ich sprawność. Biorąc pod uwagę zalety LED-ów w porównaniu ze zwykłymi żarówkami, w tym możliwość dowolnego zmniejszania mocy stosownie do potrzeb, dostępność elementów optycznych, ich małe rozmiary, możliwość zasilania z wysokosprawnych przetwornic, należy założyć, że na chwilę obecną 'idealna' wersja Sigmy Ellipsoid Plus powinna posiadać LED(y) dużej mocy, akumulatorki Li-Jon lub Li-Pol ładowane z dynama. Coś takiego postaram sie zbudować, o ile oczywiście nie pojawi się takie rozwiązanie fabryczne. Moje pierwsze próby można zobaczyć tutaj

Dynamo

Przy okazji smarowania łożysk otworzyłem obudowe i sfotografowałem wnętrze dynama. Jednak nasmarowanie dynama wymaga odlutowania jednej z blaszek kontaktowych i odginania znajdujacego się tam drutu. Po kilku takich operacjach końcówka drutu się urwała i musiałem to naprawić. Bezpośrednie dolutowanie kawałka przewodu do skróconej końcówki nie dało dobrych rezultatów. Przewód odprowadzający prąd z dynama biegnie kanałem wyszlifowanym w gwincie ośki. Kanał ten jest zbyt wąski i płytki by zmieściło się tam łączenie przewodów zabezpieczone koszulką termokurczliwą. Zostałem więc zmuszony dostać się do samego wnętrza dynama NX-30. Oczywiście sfotografowałem wszystko, co się dało i umieściłem z opisami na oddzielnej stronie

Konfiguracja do pomiarów

Wszystkie pomiary wykonywane były na kompletnym rowerze. Rower ustawiony został w pozycji 'do góry kołami', dynamo odłączone od instalacji rowerowej i podłączone do układu pomiarowego. W celu odczytu prędkości, podstawka licznika została przestawiona tak, by można było odczytac wartość prędkości. Przednie koło posiadało oponę 26" * 2.0", wartość obwodu wpisana do licznika to 2016mm. Do napędzania przedniego koła rowerowego wykorzystałem wiertarkę wielobiegową. Dzięki temu można było utrzymać w miare stałą prędkość przez czas potrzebny na odczytanie wyników.

Pomiar bez obciążenia.

Pierwszym pomiarem dostarczającym użytecznej informacji jest pomiar generowanego napięcia bez obciążenia. W ten sposób mierzymy wielkość zbliżoną do generowanej siły elektromotorycznej. Jak wiadomo każde źródło prądu posiada pewnien opór (impedancję) wewnętrzny, który ogranicza moc oddawaną przez źródło i określa warunki, kiedy ta moc jest największa. Pomiar przyrządem bardzo słabo obciążającym źródło powoduje, że wpływ impedancji wewnętrznej jest zminimalizowany. Jednocześnie jest to pomiar w miare prosty, jedyna wielkość mierzona to napięcie na źródle. Do pomiaru wykorzystałem oscyloskop cyfrowy Textronix TDS 220. Poniższa tabelce zawiera obrazy ekranu oscyloskopu podczas każdego pomiaru. Dane liczbowe, ściągnięte z oscyloskopu, można uzyskać klikając na obraz ekranu. Dane są zapisane sa z kilkukrotnie wiekszą częstotliwością próbkowania niż to pokazuje ekran.

Dynamo + oscyloskop

Prędkość [km/h]	Ekran oscyloskopu	Osiągi
6		7.18V 12.4Hz
11		12.02V 21.5Hz
14		15.22V 28.2Hz
17		18.18V 34.0Hz
23		23.05V 44.3Hz
30		29.52V 58.7Hz
41		38.58V 80.6Hz
49		44.53V 95.7Hz

Należy wzrócić uwagę na bardzo duże wartości napięcia generowanego przez dynamo NX30 bez podłączonego obciążenia. Są to wręcz napięcia niebezpieczne dla człowieka, przy których należy już zachować ostrożność. Elementy elektroniczne podłączone do dynama (np. diody, wyłączniki) muszą być przewidziane do pracy przy takich napięciach.

Teoretycznie, siła elektromotoryczna generowana w dynamie powinna być wprost proporcjonalna do szybkości. Aby sprawdzić tą zależność przygotowanem wykres przy pomocy programu gnuplot. Program ten wymaga danych przygotowanych np. w postaci pliku tekstowego. Plik z danymi oraz skrypt udostępniam. Przy okazji należy zauważyć, że pliki z danymi z oscyloskopu, po drobnej edycji, też mogą służyć jako dane dla programu gnuplot, co umożliwia zobrazowanie tych danych bez ściągania obrazu ekranu.

Wspomniana zależność amplitudy napięcia od częstotliwości przedstawiona jest na poniższym wykresie. Na wykresie zastąpiłem prędkość częstotliwością, ponieważ ta druga jest mierzona z większą dokładnością, oraz pokazałem napięcie miedzyszczytowe.

Kropkowana linia oznacza zależność liniową

Widać pewną rozbieżność pomiedzy zaobserwowaną amplitudą napięcia a funkcją liniową. Dyskusją tego zjawiska zajmę się w dalszej częsci.

Pomiary mocy oddawanej

Jak już zostało wspomniane, każde zródło prądu posiada pewną impedancję wewnetrzną, którą można zamodelować jako rezystancję, indukcyjność i pojemność wewnetrzną. Biorąc pod uwage budowe dynama należy przypuszczać, że szczególną rolę odgrywa indukcyjność wewnętrzna. Aby oszacować tę impedancję dynama wykonałem pomiary zależności mocy oddawanej przez dynamo od obciążenia dynama i prędkości. Dla uproszczenia obciążenie ma charakter czysto rezystancyjny - wtedy pomiar napięcia jednoznacznie określa płynący w układzie prąd.

Jako obciążenie zastosowałem odpowiedni układ zmontowany z rezystorów 6.8Ω, 5W, 5%. Dodatkowo użyłem pojedynczego rezystora 130Ω 50W. W sumie przeprowadziłem pomiary przy następujących wartościach rezystancji obciążenia: 6.8Ω, 10.2Ω, 13.6Ω, 17Ω, 20.4Ω, 27.2Ω, 34Ω, 40.8Ω, 54.4Ω, 68Ω, 130Ω.

W tabelce przedstawiono przeliczoną wartość skuteczną napięcia, moc wydzielaną na obciążeniu i częstotliwość prądu w obwodzie.

Każdy wiersz tabeli odpowiada jednej prędkości wiertarki, podane w pierwszej kolumnie liczby oznaczają prędkość odczytaną z licznika. Dokładniejsze (niestety względne) odczyty prędkości można otrzymać ze zmierzonej częstotliwości, ponieważ odczyty licznika dokonywane były w nieco innym momencie niż zapamiętanie przebiegu. W tabeli zaznaczone zostały pozycje odpowiadające maksymalnej uzyskiwanej mocy przy danej prędkości. Jest to bliskie dopasowaniu impedencji obciążenia do impedancji dynama.

Wartości napięcia stanowią linki, wskazujące na pliki z danymi liczbowymi odczytanymi z oscyloskopu. W kilku pozycjach, wartość mocy jest linkiem do obrazu ekranu oscyloskopu.

Lokalne minimum występujące przy v=28km/h, R=40.8Ω wynika ze wspomnianego błedu pomiaru szybkości (odczytu licznika), częstotliwość napięcia sugeruje, że w czasie tego pomiaru rzeczywista szybkość była nieco mniejsza.

Gnuplot

Także te dane zobrazowałem przy pomocy programu gnuplot.

Pliki z danymi udostępniam. (->Sortowane według oporu/ Sortowane według prędkości)

Najciekawszą charakterystyką jest zależność uzyskanej mocy od rezystancji obciążenia dla różnych prędkości. Przedstawia ją poniższy wykres (kliknij na obrazek by sciągnąć skrypt do gnuplota):

Poniżej zamieszczono analogiczny wykres, tylko z wygładzonymi liniami, dzięki czemu można lepiej określić maksima.

Małymi czarnymi znaczkami zaznaczono ręcznie punkt mocy maksymalnej (najlepszego dopasowania) dla każdej prędkości. Ze względu na sposób uzyskania, są to jedynie szacunkowe wartości. Punkty te można przedstawić w następującej tabelce

Oraz na prostym wykresie gnuplota

Bez problemu daje się zauważyć, że impedancja dopasowania rośnie wraz z prędkością. Jest to wynik wzrostu częstotliwości prądu przy indukcyjnym charakterze dynama. Przy okazji należy również przypomnieć że charakterystyka żarówki także wykazuje wzrost impedancji z prędkością, tym razem spowodowany wzrostem temperatury.

Gdy dynamo jest wykorzystywane do ładowania akumulatorów istotna jest charakterystyka napięcia w zależności od pobieranego prądu - umożliwia określenie jaki będzie prąd ładowania akumulatora o danym napięciu przy danej prędkości.

Charakterystyka Moc - prędkość przy danej rezystancji obciążenia nieco mniej ciekawa. Jest monotoniczna (rosnąca), jednak mało czytelna. Jednak dla porządku umieszczę i ten wykres.

Na niektórych wykresach, szczególnie tych reprezentujących małe rezystancje obciążenia, widac pewne załamanie charakterystyki - dla małych predkości oddawana moc rośnie, jednak od powyżej pewnej wartości moc się stabilizuje. Jeśli weźmie się pod uwagę, że generowana siła elektromotoryczna rośnie mniej więcej proporcjonalnie do szybkości należy przyjąć, że stosunek tej siły do napęcia wyjściowego spada z szybkością, a więc też częstotliwością. Mamy układ dolnoprzepustowy.

Dla normalnych prędkości 'przelotowych' (około 20km/h) można z dynama uzyskać nawet 5W mocy czynnej, należy jednak zastosować obciążenie na 12V.

Z tej charakterystyki widać w jaki sposób jest stabilizowana moc oświetlenia. Wypadkowa rezystancja standardowego oświetlenia roweru (3W 6V) wynosi ok 12Ω. Jest więc dość mała. Przy takich rezystancjach moc wyjściowa dynama prawie nie zależy od prędkości. Zarówno siła elektromotoryczna, jak i reaktancja dynama rosną proporcjonalnie do prędkości, utrzymując prąd na stałym poziomie.

Dla kompletu jeszcze dołącze wykres 3D.

Pomiary z obciążeniem żarówką.

Wykonałem również serie pomiarów, podczas których dynamo było obciążone zarówka, a pomiarowi podlegała jasność świecenia. Jednak ze względu na nieliniowy charakter takiego obciążenia, sa one mało przydatne do liczbowego określenia własciwości samego dynama. Po reorganizacji, cały opis tych pomiarów został przeniesiony do podstrony.

Wnioski z pomiarów

Wydaje się, że wszystkie zaobserwowane właściwości dynama można wyjaśnić przy pomocy układu zastępczego, w którym dynamo reprezentowane jest poprzez połączenie szeregowe trzech elementów.

Każdy z elementów zostanie teraz oddzielnie przedyskutowany.

Siła elektrodynamiczna

Zgodnie z teorią, zarówno napięcie jak i częstotliwość są proporcjonalne do prędkości. Parametry tej SEM można zostały zmierzone bezpośrednio w serii pomiarów bez obciążenia. Jak można łatwo zauważyć przebiegi odbiegają znacznie od sinusoidy. W takiej sytuacji bezpośrednie porównywanie parametrów jest trudne, łatwiej będzie analizować przebiegi w dziedzinie częstotliwości, porównując amplitudy i fazy poszczególnych składowych.

Rezystacja przewodów

Wartość tej rezystancji można wyznaczyć na dwa sposoby: na podstawie wykonanych pomiarów oscyloskopowych i poprzez pomiar bezpośredni omomierzem. Ten drugi sposób wskazał wartość około 3 Ω, jednak odczyt był mocno niestabilny.

Indukcyjność uzwojenia

Wyznaczenie tej wartości jest możliwe jedynie w sposób pośredni, na podstawie przedstawionych wyżej wyników, szczególnie serii trzeciej i czwartej. Wykonanie pomiarów przesunięć fazowych ułatwiło by pomiary, jednak pomiar taki wymagałby wyzwalania oscyloskopu według pozycji koła, np. z czujnika licznika rowerowego.

Ulepszony model zastępczy

Pod koniec sierpnia 2010 otrzymałem interesujący emaila od Macieja Rudasia, który opracował nowy, dokładniejszy schemat zastępczy dynama. Uzgodniłem z nim, iż zamieszczę bezpośrednio odpowiedni fragment jego listu (ode mnie pochodzi formatowanie HTML):

Chciałbym się podzielić moim podejściem do tematu schematu zastępczego dynama, co z kolei pozwala bawić się wykorzystaniem mocy tej pokładowej elektrowni na ekranie komputera. Oczywiście wykorzystałem dane pomiarowe z artykułu.

Wprowadziłem pewne uproszczenia:

• założyłem sinusoidalny kształt przebiegu.
• pominąłem wyniki pomiarów bez obciążenia.

Zaproponowałem schemat wzbogacony w stosunku do sugerowanego w artykule o rezystor Rp reprezentujący zbiorczo straty różnej natury w obwodzie dynama.

Następnie korzystając z modelu w postaci analitycznej zlinearyzowałem wyniki pomiarów i minimalizując błąd średniokwadratowy wyznaczyłem wartości elementów.

Uzyskane wyniki to:

• a = 0,5146 (źródło generuje napięcie sinusoidalne o wartości skutecznej a*f)
• Rs = 2.000 Ω
• Rp = 258,8 Ω

Przy takich wartościach model daje wyniki bardzo zbliżone do danych pomiarowych - za wyjątkiem 2 punktów mieszczące się w tolerancji 3,5%, co świadczy dobrze, i o modelu, i o dokładności dokonanych pomiarów. Średnio odchylenie napięcia zmierzonego i obliczonego wynosi +/-0,13V. Wyliczone wyniki pracy dynama bez obciążenia różnią się nieco więcej od zmierzonych - do 11% odchyłki. Nie ma to jednak większego znaczenia ze względu na małe znaczenie praktyczne tych wyników.

Warto także zauważyć, że ze zmianą częstotliwości zmienia się także kształt przebiegu zbliżając się do sinusoidalnego przy dużych prędkościach. Z tego względu wyliczanie wartości szczytowych jest skazane na niepowodzenie i w celu określenia wytrzymałości napięciowej współpracujacych elementów lepiej korzystać z danych pomiarowych. W ostateczności z dokładnością do 4% napięcie szczytowe można wyliczyć z napięcia skutecznego wzorem (2,2-0.0075*f)*Urms, który uwzglednia empirycznie zmiany kształtu napięcia z częśtotliwością.

Może się to do czegoś przyda.

Linki

Jak to zwykle warto zrobić, dorzuce linki:

• Bardzo ciekawe i ładnie uzupełniające się z moimi wynikami:
  Kilka wersji LED-owego oswietlenia zasilanego z dynama.
• Jakis projekt tyle ze w obcym jezyku (podobno holenderskim). Zawiera pewne pomiary i propozycje schematów, w tym instalacji na 12V.
• 12V aku z dynama (po niemiecku)
• Regulator (j. niemiecki) - zawiera m. in. ladowarke na układzie MAX713 zasilaną z dynama.
• Czeska strona z teorią dynama
• Porównanie Luxeonowej lampki własnej roboty i Sigmy Ellipsoid
• Napisz do mnie, jesli masz jakies uwagi.