user22483
Вчера 20:19
Можно ли использовать ультраконденсаторы для генерации импульсов тока для запуска двигателя?
Я использую бесщёточный двигатель постоянного тока 48 В мощностью 1500 Вт в электромобиле на солнечных батареях.
В одном из заездов, в которых я участвую, нужно снять аккумуляторы и заставить двигатель работать исключительно на солнечной энергии. Но из-за нехватки места я могу использовать только солнечную панель мощностью 300 Вт и напряжением 48 В.
Максимальный ток, выдаваемый панелью, составляет примерно 7 ампер, чего недостаточно для запуска двигателя. Я подсчитал, что для запуска двигателя мне нужно как минимум 40–50 ампер, а для его работы — постоянный ток в 30 ампер. Можно ли генерировать импульсы тока силой более 7 ампер при напряжении 48 вольт, чтобы двигатель мог работать?
Я рассматриваю возможность использования ультраконденсаторов Maxwell ёмкостью 116 Ф на 32 В (два конденсатора по 58 Ф на 16 В, соединённых последовательно с соответствующими шунтирующими резисторами) через понижающий преобразователь с обратной связью для поддержания постоянного напряжения 48 В. Будет ли достаточно подключить их параллельно к солнечной панели? Или есть какое-то другое альтернативное решение для запуска двигателя?
Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/36485/can-i-use-ultracapacitors-to-generate-current-pulses-to-run-a-motor
Хммм...
Двигатель
Мощность составляет 1500 Вт, что означает потребление 31 А при напряжении 48 В и полной нагрузке. Пусковой ток может быть выше, то есть составлять 40–50 А. Однако это не значит, что двигателю для запуска требуется 40–50 А, а для работы — 31 А, это просто абсолютный максимум. При более низком напряжении ток будет меньше, а мощность — ниже.
Помните, что максимальная мощность двигателя внутреннего сгорания достигается вблизи красной зоны, но на таких оборотах двигатель работает редко, даже при ускорении.
Солнечная панель
Максимальная мощность составляет 300 Вт. Но только при идеальных условиях: без облаков и тумана, когда солнце находится как можно выше на небе, а панель направлена точно на солнце.
Через несколько дней наступит 21 сентября, когда Солнце будет находиться точно над экватором, а широта вашего местоположения определит угол между Солнцем и вертикальной линией в полдень. Например, Нью-Йорк находится на 40° северной широты, поэтому угол будет равен 40° (или: Солнце будет на 90°-40°=50° выше горизонта). Если вы разместите панель на земле, она будет давать только cos(40°)*300 Вт = 0,77*300 Вт = 230 Вт. И это без учёта того, что свет проходит более длинный путь через атмосферу и ослабевает сильнее, чем на экваторе. (И сейчас полдень. Не утро и не вечер)
Кроме того, солнечная панель является источником постоянного тока. При нагрузке 7,7 Ом она будет выдавать 48 В и 6,25 А (=300 Вт). При более высокой нагрузке ток по-прежнему будет составлять 6,25 А, но напряжение снизится, а значит, снизится и выдаваемая мощность.
Если нагрузка будет меньше, напряжение повысится, но ток снизится. Опять же, мощность уменьшится.
Таким образом, 48 В и 6,25 А — это максимальная мощность, которую выдает панель при подключенной нагрузке. 48 В — это примерно 80 % от напряжения при отключенной нагрузке, которое составляет около 60 В.
Конденсаторы
Во-первых, если соединить два конденсатора последовательно, то номинальное напряжение обоих конденсаторов можно сложить, но ёмкость останется прежней.
Это значит, что при соединении двух конденсаторов по 58 Ф получается конденсатор на 29 Ф. Если соединить три конденсатора последовательно, как предложил Paulster2, получится всего 19,3 Ф. Но с точки зрения накопленной энергии это не имеет значения. Каждый конденсатор может накапливать
а комбинация из трёх последовательно соединённых конденсаторов обеспечит всего 1/3 ёмкости, но в 3 раза большее максимальное напряжение. Как и ожидалось, три конденсатора будут накапливать в три раза больше энергии, чем один конденсатор.
Максимальная энергия одной крышки составляет 7,4 кДж (для сравнения: в автомобильном аккумуляторе ёмкостью 40 Ач содержится 1728 кДж), и для его зарядки при максимальной мощности солнечной панели потребуется примерно 7400 Дж / 300 Вт = 25 с. Для зарядки большего количества крышек потребуется больше времени.
Теперь предположим, что двигатель потребляет 1500 Вт, из которых 300 Вт подаются от панели. Таким образом, на колпачки приходится 1200 Вт, и одного колпачка хватит на 7400 Дж / 1200 Вт = 6 секунд.
Несколько предупреждений:
Ваши конденсаторы (эти?) рассчитаны на 16 В, а абсолютное максимальное напряжение составляет 17 В, что ненамного больше. Никогда не превышайте это напряжение, иначе конденсатор может быть повреждён или даже сгореть/взорваться.
Если вы подключите три конденсатора последовательно, чтобы получить напряжение 48 В, и напрямую подключите их к панели без защиты, они зарядятся до напряжения разомкнутой цепи 60 В, и — БАБАХ!
Кроме того, у больших конденсаторов низкая точность ёмкости. Ёмкость ваших конденсаторов составляет 58–70 Ф. Если вы подключите три конденсатора последовательно к 48 В, два из которых будут иметь ёмкость 70 Ф, а один — 58 Ф, то большие конденсаторы зарядятся до 15 В, а маленький — до 18 В — и БАБАХ!
Поэтому я бы рекомендовал либо не ставить колпачки последовательно - хотя это приводит к большим токам, - либо не заряжать их до теоретически номинального напряжения.
Электроника
Таким образом, очевидно, что не следует подключать панель к трём конденсаторам, соединённым последовательно, а также не следует подключать их напрямую к двигателю — напряжение на них снизится, и они не будут обеспечивать максимальную мощность двигателя.
Вам обязательно понадобятся преобразователи постоянного тока в постоянный, и мои расчёты это учитывают. Преобразователи всегда имеют определённый КПД, который сильно зависит от входного/выходного напряжения и силы тока. С большими токами всегда возникают проблемы, а когда конденсаторы почти разряжены, они должны обеспечивать гигантский ток, чтобы обеспечить требуемую мощность. Я не могу привести точные цифры, но в принципе нужно учитывать, что при передаче энергии от панели к конденсаторам и от конденсаторов к двигателю часть энергии теряется в преобразователе.
(И наконец, вы хотите контролировать и мощность двигателя)
TL;DR
Хотя максимальная мощность вашего двигателя составляет 1500 Вт, вам не нужно подавать ток силой 31 А при напряжении 48 В, если только вам не нужна вся мощность в 1500 Вт. Как правило, вам потребуется гораздо меньше энергии.
Максимальная мощность панели составляет 300 Вт, что уже немного, но вы должны понимать, что получите гораздо меньше.
Эти конденсаторы, безусловно, могут помочь аккумулировать энергию и увеличить мощность двигателя, когда требуется больше энергии или появляются облака, но сначала их нужно зарядить. Думаю, они могут считаться аккумуляторами в вашем ... соревновании, если только они не разряжены на старте.
Редактировать:
Ваш комментарий немного сбивает с толку, я до сих пор не понимаю, что именно вы собираетесь делать. Вы также упоминаете аккумулятор, хотя в вопросе говорится, что аккумулятор нужно извлечь...
В любом случае: вам понадобится преобразователь постоянного тока в постоянный, чтобы передавать энергию от конденсаторов к двигателю. С другой стороны, вам нужно заряжать конденсаторы за счёт избытка энергии от панели. А когда вам понадобится максимальная мощность, а конденсаторы будут разряжены, вы захотите, чтобы вся энергия от панели поступала в двигатель, а не в конденсаторы.
Более того, как я уже писал, когда вы пытаетесь получить от панели больше энергии, чем она может выдать, она на самом деле выдаёт меньше энергии.
К сожалению, я не знаю ни одного электронного устройства, которое можно было бы использовать напрямую, хотя такие наверняка существуют.