Oikosulkumoottori ja taajuusmuuttajakäyttö - Sähköautot - Nyt!

Lähdin hieman selvittelemään aihetta luettuani Temen kommentteja.
Huomioitavaa on, ettei minulla ole minkäänlaista ennakko-osaamista sähkö/elektroniikkapuolelta.

Eli käsittääkseni taajuusmuuttajalla ohjattua oikosulkumoottoria(ja kestomag.moottoria) on mahdollista käyttää voimanlähteenä sähköautoissa.

Oikosulkumoottori on edullinen ja yleisesti saatavilla oleva komponentti. Kestomagneettimoottori on n.20-25% kalliimpi, mutta hyötysuhde ja ohjattavuus on parempi.

Taajuusmuuttaja ei ole edullinen, eikä kaupalliset tuotteet sovellu suoraan sähköautoon.

Laite pitäisi käytännössä rakentaa uudelleen, että se vastaisi käyttötarkoitustaan: - Tasavirtaa saadaan suoraan akustosta, mutta jännitteen regulointi pitäisi olla - Regenerointi on mahdollista "pienillä" modauksilla - Jos käytetään pwm-tekniikkaa, tulee monimutkainen ohjausjärjestelmä - Jos ei käytetä pwm-tekniikkaa, jää hyötysuhde huonommaksi, mutta rakenne yksinkertaisemmaksi - Moottorin nopeuden sovittaminen kaasupolkimen asentoon tapahtuu "liian" nopeasti, jos ei ole jonkinmoista momentinrajoitinta - Moottori tarvitsee lisäjäähdytystä jatkuvasti pienillä kierroksilla ajettaessa

- Ir-kompensointi liikkelle lähdössä

Tässä pintaraapaisu, asiasta ymmärtävät voisivat valaista enemmin…

Täältä ammensin:
http://www.e-leeh.org/svtopus/teksti/luku11.html
http://ecmweb.com/mag/electric_basic_electronic_troubleshooting/
http://fi.wikipedia.org/wiki/Taajuusmuuttaja
http://www.ee.lut.fi/courses/Sa2721200/seminaariraportit_s2006/Kallava_tuulivoimaloiden_generaattori_ja_sahkokayttovaihtoehtojen_vertailu.pdf
http://www.tp.spt.fi/~salabra/yk/ska/drives1f.doc
http://en.wikipedia.org/wiki/Variable-frequency_drive
http://www.kilowattclassroom.com/Archive/VFDarticle.pdf
http://www.tp.spt.fi/~salabra/yk/tqm/taajuuskayton_saato.doc

Ja mähän ton kirjoitin :)

"Lähdin hieman selvittelemään aihetta luettuani Temen kommentteja."

Hienoa. Joku sentään on kuullut huudon metsään. On totta, että osittain kommenttini ovat oleet kärjistettyjä, mutta mitä sitten. Jonkunhan on pakko ajatella kriittisesti.

"käsittääkseni taajuusmuuttajalla ohjattua oikosulkumoottoria(ja kestomag.moottoria) on mahdollista käyttää voimanlähteenä sähköautoissa."

Sillä tietämyuksellä mikä minulla on jaan käsityksen kassasi. On totta, että kokekukseni sähkömoottoreistä tulee työkoneista, mutta en näe mitään erityistä syytä, etteikö se olisi siirrettävissä autoon.

"Oikosulkumoottori on edullinen ja yleisesti saatavilla oleva komponentti.
Kestomagneettimoottori on n.20-25% kalliimpi, mutta hyötysuhde ja ohjattavuus on parempi."

Tässä kohtaa täytyy tehdä ratkaisu luotettavuuden, yksinkertaisuuden ja hinnan väliltä. Itse lähtisin liikkeelle perinteisestä oikosulkumoottorista sen yksikertaisuuden takia. hintakaan ei ole ihan pieni tekijä. Auton tapauksessa kuitenkaan ei tarvita ihan hirveän tarkkaa ohjausta. Hyötysuhteessa ei ole kovinkaan suurta eroa. Toki tuossa kyseen tulee painotus. Kumpi tahansa on ihan pätevä aiottuun käyttöön.

"Taajuusmuuttaja ei ole edullinen, eikä kaupalliset tuotteet sovellu suoraan sähköautoon."

on totta, että taajuusmuuntaja voi hyvinkin olla kallein yksittäinen komponentti. Toisaalta kerran tekemällä kunnolla samaa voidaan käyttää lähes loputtomasti. Toisaalta se taajuusmuuntaja ohjausohjelma on se hankala paikka. Työkoneissakin noita kehitetään jatkuvasti. En ole varma, mutta jo aiemmin ketjussa mainittu Vacon toimittaa mm. KoneCranesin tarvitsemat taajuus muuntajat. Noita käytetään mm. lukeissa (haarukkatrukki) ja RTGssä
http://www.konecranes.com/portal/equipment/port_cranes/container_cranes/straddle_carriers/
http://www.konecranes.com/portal/equipment/port_cranes/container_cranes/rubber_tired_gantry_cranes/

Mainituissa laitteissa useimmiten on diesel -mottori joka pyörittää generaattoria ja tuottaa tarvittavan virran, mutta muuten toimii kuin sähkökäyttöinen laite. Taajuusmuuntaja käytössä puolestaan ei ole merkitystä onko tuleva virta tasa- vai vaihtovirtaa, koska virta muutetaan joka tapauksessa ensin tasavirraksi. Toki tuo on huomioitava. Tosin aika ihmeelliseltä tuntuu, jos tuolla tekniikalla voidaan saada 80t lukki tai 800t nosturi skulaamaan, muttei 1,5t autoa.

Nuo loppu huomautukset pääosin pitävät paikkansa, ainakin sikäli kun minä tekniikkaa ymmärrän. Silti se mitä minä sähkömoottoreista tiedän (joka sinänsä ei ole kovinkaan paljoa) ei poista sitä, että oikosulkumoottori taajuusmuuntimen perässä on tehokkain tapa muuntaa sähköenergiaa pyörimisliikkeeksi. Syy tähän on periaatteessa yksikertainen, moottori pyörii jatkuvasto optimikierrosalueellaan.

- Teme

Tarvittavat komponentit maksaisi noin 1000€ tohon invertteriin, mut tars osata suunnitella se toimivaksi kokonaisuudeksi. Tässä olis hyvä lopputyön aihe elektroniikkaoppilaalle…

Riittävän tehokas oikosulkumoottori(30kw) näyttää painavan n.150-200kg….

T:KnoB

Miten mahtaisi ABB tai VEM haluta tuottaa riittävän keveitä kestomagneettimoottoreita? Molemmat ainakin panostaa kyseiseen teknologiaan voimakkaasti. Tästä saisi vähän toisenlaista pr:ää ;)

Ja menekkiäkin on luultavasti luvassa, kunhan projekti saa ekat autot valmiiksi ja median testattavaksi…

T:KnoB

Toimiiko, jos otetaan pieni 3~taajuusmuuttaja(250€) ja vaihdetaan virransyöttö dc:lle ja IGBT:t 1000v/600A(200€)? Eli pwm-modulointi ja optoerotin olisi "valmiita" komponentteja ja vain virransyöttöä muokattaisiin?

Osaisiko joku valaista, kun itselle ei oikein aukea…

T:KnoB

Haluamatta mitenkään tarpeettomasti lannistaa, tämän kokoluokan IGBT-komponenttia ei oikein voi suoraan vaihtaa jonkun pienen fetin tilalle. Pelkästään tuollaisen ison kiven hilan ohjaamiseen menevä teho lasketaan wateissa. Pitää koko ohjauspuoli suunnitella uudestaan. Se PWM ja ohjaussignaalien luonti on tässä ehkä se helpoin tehtävä olettaen että ette ole kiinnostuneita mistään moottorimalleista vaan ihan perus siniaallon luominen riittää. Sen PWM:n voi tehdä esim. jollain mikrokontrollerilla, FPGA:lla tai vastaavalla, halpaa ja helppoa kokeilla ja kolvata. PWM on oikeastaan aika antiikkista, on noita kehittyneempiäkin vaihtoehtoja.

Kun sekä jännitteeseen että virtaan laitetaan pari nollaa perään, mukaan tulee kaikenlaisia mielenkiintoisia ilmiöitä joiden tutkimiseen teollisuudessa on tapana myös jonkin verran panostaa. Ainakin voi varautua sen verran monen IGBT:n paukkumiseen "harjoitellessa" että niiden hinnalla jo melkein ostaisi vaihtosuuntaajan yhteen autoon.
Sitten jos ohjaus vaikka sekoaakin ja sillan ylä- ja alapuoli johtaa samaan aikaan, oikosuljetaan akusto, joka voi vaikka räjähtää ja sitten ainakin pääsee hesariin, etenkin jos akusto räjähtää keskellä Helsinkiä. Vaikka ei saisikaan happoja päälleen, aina voi saada sähköiskun kun akkujännitettä on kuitenkin aina satoja voltteja ja siinä tuotekehittäessä hääräilee projektin ympärillä.

Vaikka sen auton sitten saisikin kulkemaan, vielä tulevat EMC-määräykset eli harrastevälineenä se myös pysyy jos (hintavahkoja) EMC-testejä ei ole tehty. Kun niitä ei ole tehty, ei voi tietää häiriintyykö kännykät ja viranomaisradiot kun huristelee ohi. Edelleen: invertterit ovat erinomaisia häiriölähettimiä ja teollisuudessa ponnistellaan ankarasti jotta EMC-rajat eivät ylittyisi. Ei ole helppo nakki sekään. Sen lisäksi että virrat ovat suuria, myös virtojen ja jännitteiden aikaderivaatat ovat hyvinkin suuria.

Tällä kaikella tarkoitan sanoa että kannattaa vakavasti harkita niitä olemassaolevia oikean teholuokan laitteita. Open Source on oikein hieno juttu ja itsekin naputtelen tätä tarinaani Kubuntulla. En vaan oikein usko että Open Sourcea kannattaa ulottaa ihan IGBT hilojen ohjaamiseen. Sähköautoon liittyy kuitenkin paljon ohjaus/viihde-elektroniikkaa jossa voi soveltaa open source -periaatteita.

Akustoihin verrattuna taajuusmuuttajat eivät ole edes kovin kalliita. Jos ei ole halua ostaa täydellä hinnalla, aina voi yrittää rakentaa jotain yhteistyötä.

Tiedän, että heittosi on tarkoituksella karrikoitu, mutta kommentoin nyt tätä niille muille noin 1000 saitin päivittäiskävijälle:

"itten jos ohjaus vaikka sekoaakin ja sillan ylä- ja alapuoli johtaa samaan aikaan, oikosuljetaan akusto, joka voi vaikka räjähtää ja sitten ainakin pääsee hesariin, etenkin jos akusto räjähtää keskellä Helsinkiä. Vaikka ei saisikaan happoja päälleen, aina voi saada sähköiskun kun akkujännitettä on kuitenkin aina satoja voltteja ja siinä tuotekehittäessä hääräilee projektin ympärillä."

Litiumakkujärjestelmät rakennetaan aina ajovoima-akkujen standardeja mukaellen ja yksi merkittävä asia on tietysti ne sulakkeet ja muut varojärjestely. Litiumakuston oikosulkeminen syö kaapelit, jos ei sulakkeita olisi. Mutta kun ne on, niin vaaraa ei aiheudu. Ja happojahan ei Litiumakuissa ole myöskään.

Ja olen samaa mieltä, että maailmalta löytyy nytkin tusinoittan autohyväksyttyjä settien tekijöitä. Osa on ihan skeidaa, mutta muutamat harvat on laatua.

-Jukka

Kyllähän se oli hieman karrikoitu. Ja asioiden vaikeudella pelottelu oli aivan turhaa jos joukosta löytyy alan rautaisia ammattilaisia ja asialliset työvälineet. Tarkoitan että jos kokemusta on vain muutamien volttien elektroniikasta, isojen virtojen ja jännitteiden kanssa tulevat haasteet voivat yllättää. Rahaakin siihen kehittämiseen vaan vääjäämättä voi mennä, esim. piirilevypohjien teettämiseen, vaikka oma aika olisikin ilmaista. Viittasin happoon siitä syystä että edelleenkin akun valinta keikahtaa lyijyakun puolelle jos hinta on merkittävästi tärkeämpi peruste kuin paino, esim. jos ajosäde saa olla huomattavan lyhyt. 20000 eur hinta on yksinkertaisesti liikaa akustolle, siinä alkaa kalliskin öljy näyttää todella edulliselta. 20000 eur akuston pitäisi käytännössä kestää koko auton elinikä, mikään 5v tai 200 000 km ei riitä.

Akkujen räjähtäminen tuli esille esim. siksi että tavallisten auton lyijyakkujen kanssa tavallisille ihmisille sattuu silloin tällöin onnettomuuksia.

Päätin sitten muuntaa oman käyttöauton sähkölle. Nurkissa on 30kw@3000rpm 206kg moottori ja siihen ajattelin modata taajuusmuuttajan (n.35kg). Ja pudjetti(lyijy)akusto n.400kg Motti ja vaihtoloota autosta veks, niin kompensoituu tuo 206kg motti. Eli akusto viekin sitten hyötykuorman :(

No onhan autossa koukku…

T:KnoB

Lauantaita kaikille,

Löysin netistä PWM-vaihtosuuntaajan suunnitteludokumentit. Oli tehnyt joku tamperelainen oppilasporukka harjoitustyönään. kytkikset ja kaikki. ehkä tästä sais komponentit sopivasti mitoittamalla käypäisen ajonhallintalaitteen esim oikosulkumoottoria varten. Taajuusmuuttajahan muuttaa ensin vaihtovirran tasavirraksi ja sen jälkeen tuo tehty tasavirta muutetaan taas uuden taajuuden vaihtovirraksi. tässä olis nyt semmoinen kapistus, jonka avulla sais akuista tulevan tasavirran suoraan

halutuntaajuiseksi (nopeudensäätimen asennon mukaan) vaihtovirraksi sähkömoottoria varten.

Joku innokas sähköasiantuntija vois mitoittaa noi komponentit tuollaista 30 kW tehoa varten niin
sitten olis meillä nopeudenhallintajärjestelmä… ainakin sikäli kun mnä asiasta mitään ymmärsin.

Mutta se linkki dokumenttiin: PWS-vaihtosuuntaaja
jukka

Tervehdys Olen jo useita vuosia harkinnut nykyisen bensamoottorin korvaamista sähkö sellaiseksi ja hiukan perehtynyt seuraaviin ongelmiin, ensiksi auton painojakauma tulisi olla sama kuin alkuperäisessä kokoonpanossa, moottorin ja akuston paino ei saisi ylittää auton alkuperistä kantavuutta, toiseksi mikäli lyijyakkuja käytetään starttiakut eivät kelpaa ne on suunniteltu antamaan maximi virtaa vain lyhytkestoisesti, ts käyttöikä arviolta muutama kuukausi . Muutenkin lyijyakuston teho/painosuhde on huono erityisesti pakkasella ja osittain purettuna. Uskon että nämävaihtosuuntaaja-ongelmat ovat suhteellisen pieniä kun nämä pääseikat ovat hallinnassa. Näissäkin asioissa täytyisi pitää idealismi hallinnassa ja toimia enemmän realismin pohjalta

Hyvää jatkoa kaikille

Hei taasen!
Nyt olisi motti ja taajuusmuuttaja valmiina, akusto puuttuu enää.

Taajuusmuuttaja on käytetty abb:n acs601, siihen ei oikeastaan tarvitse kuin lisätä "etäkäyttö", eli potikka kaasupolkimeen ja kytkimet peruutusvaihdetta ja "vapaata" varten. Uskoisin regeneroinnin toimivan suoraan jarruramppeja säätelemällä??

Tämän hetken tilanne akkujen suhteen:
12v 30Ah agm-akku maksaa n.100€/kpl eli 540v 30Ah akuston hinnaksi tulee n.4500€!!!

Pitänee vielä harkita happoakkuja, suurempi kapasitetti tulee halvemmaksi(ja painavammaksi). Tosin ei niitä sitten kannata kovin tyhjäksi purkaa…

T:KnoB

En menisi laskemaan tavallisen taajarin varaan. Ne on yleensä suunniteltu kiinteisiin asennuksiin ja suht. vakaisiin olosuhteisiin. Autokäytössä vaaditaan suurta tärinänsietoa ja erittäin suuresti vaihtelevien olosuhteiden sietoa. Varmasti jotkin direktiivitkin sanelevat kovia vaatimuksia turvallisuuden vuoksi.

Taajuusmuuttajakäytössä saadaan moottori kierroslukua helposti nostettua 3000 rpm yläpuolelle pelkästään nostamalla taajuutta, jolloin kannattaa suosiolla katsoa moottoreita jotka on oikeasti suunniteltu käymään nopeilla kierrosluvuilla. Verkkosähkölle suunnitellut moottorit eivät pyöri 3000 rpm lujempaa, koska sähkön taajuus on niin matala. Mitä nopeampaa moottori saadaan pyörimään, sitä kevyempirakenteinen siitä tulee, koska vääntöä ja virtaa ei tarvita niin paljoa tehon aikaansaamiseksi.

Joissain raitiovaunuissa käytetään jopa 60 000 rpm nopeuteen yltäviä kestomagnetoituja kolmivaihekoneita ja niistä irtoaa 100 kW jatkuvana vain 12 kilon paketista (itse moottori ilman apulaitteita). Sähköautoon riittäisi mukavasti köykäisempikin kone, koska sähkömoottorien ylikuormitettavuus on erinomainen.

Voisi tietenkin kokeilumielessä testata, mitä joku tavallinen ABB:n kone tykkää siitä että sitä ajettaisiin vaikka 100 Hz taajuudella, jolloin kierrosluku nousisi 6000 rpm:ään. Kestääkö siinä laakeristo? Täriseekö roottori liikaa?

Periaatteessa tuolloin moottorista saatavilla oleva teho tuplaantuu myös. Mikäli laakerit vaihdetaan asiallisiksi, niin siinä ei pitäisi olla mitään ongelmaa. Vaihteisto sovitettaisiin vain toimimaan välille 0-6000 rpm.

Muistaakseni ABB antaa perusohjeena vakiomallisten 2-napaisten (3000rpm) oikosulkumoottoreiden kierrostaajuuden rajaksi taajuusmuuttajakäytössä 4500rpm. Tämä siis teholuokassa (karkeasti) 4-20kW. Eikä sillä etteikö laakerit kestäisi tms. vaan syynä on se että ellei momenttia pienennetä moottori kuumenee nopeasti liikaa.

Eihän sitä silti käytetä jatkuvasti suuremmalla teholla, vaan sitä tehoa otetaan kiihdytyksiin. Matkaa ajetaan joka tapauksessa sillä noin 20 kW teholla, jonka se moottori kestää lämpösuunnittelun puolesta vaikka kierrosluku olisi mitä.

Moottorille on suhteellisen helppo järjestää lisää jäähdytystä liikkuvassa autossa. Otetaan syylärin aukosta ilmaputki ja osoitetaan moottorin kylkeen. Siihen voi vaikka laittaa teräsvanteilla alumiiniritilää ympärille, joka auttaa haihduttamaan lämpöä.

Tuota tehon kasvua täytyy vähän kommentoida. Oikosulkumoottori tarjoaa vakiovääntömomenttia eli lineaarisesti kierrosten suhteen kasvavaa tehoa kun jännitettä nostetaan yhdessä taajuuden kanssa. Kun saavutetaan akkujännite ja nimellistaajuus, ei jännitettä voida enää enempää nostaa, ja tällöin jos nostetaan enää pelkkää taajuutta, vääntö alkaa putoamaan siten, että siirrytään vakiotehon alueelle (kentänheikennys).

Taajuutta nostamalla teho kasvaa siis vain sillä ehdolla että jännitettä on vielä varaa nostaa.

Moottoreiden tyyppikilvissä lukee usein nimelliskierrosluku (eli se kierrosluku jolla moottori pyörii nimellistaajuudella) sekä maksimikierrosluku. Maksimikierrosluku voi aivan hyvin olla kentänheikennysalueen puolella.

Ja maksimikierrosluvun ollessa kentänheikennysalueella, on tarve (usein) jo ulkoiselle jäähdytykselle. 3-vaihe, standardi oikosulkumoottorin kuormitus jos f>50Hz -> jännite on vakio ja moottorin magnetointi heikkenee.
Se "parempi" alue on vakiovuoalue (f98km/h (50hz)
120km/h puolestaan 3670rpm (62hz)

Ei pitäisi tulla ongelmia noin pienillä ylityksillä…

Nyt tars saada akusto niin pääsis koittamaan ;-)

T:KnoB

Suomalainen Vacon ( http://www.vacon.com ) ainakin valmistaa hyvin monipuolisia taajuusmuuttajia. Ohjelmoitavia toivon mukaan, regen ja softstart on olemassa. Hyötysuhdeiltaan maailmanjohtavia.

Vesijäähdytteisiäkin on olemassa, joten sillä tavalla sais ratkaistu sisätilan lämmitysongelman.

Noiden sisällä on iso konkka johon on suoraan tasasuunnattu verkkovirta (yksi- tai kolmevaihe), ja ulos tulee kolme vaihetta. Sitten en tiedä jos se lähtee vakiokonfiguraatiossa käyntiin pelkästään tasavirralla.
Sopiva akkujännite olisi sitten noin 320 V (230 * sqrt(2)).

Akkujännitehän muuttuu varaustilan ja kuormituksen mukaan, tavallisella 3,7 voltin kemialla välillä 4,2 - 2,5 täydestä tyhjään, eli Vaconin taajuusmuuttaja pitäisi suunnitella erikseen niin että se kykenee toimimaan 40% jännitteen alenemalla.

Pelkän taajuusmuuttajan hukkalämmöllä ei kauheasti juhlita. Jos hyötysuhde pysyy esim. 90% paremmalla puolella niin ajon aikana saadaan tuskin kilowattia lämmitykseen. Energian säästämiseksi olisi parasta käyttää lämpöpumppua joka tuottaa pikkupakkasilla jopa kolme kertaa enemmän lämpöä kuin ottaa sähköä. Sen kylmää puolta voisi lisälämmittää tuolla taajuusmuuttajan hukkalämmöllä jolloin COP paranee suhteessa pelkkään raakaan ulkoilmaan.

ZEVA:n (Zero Emission Vehicles Australia) sivuilla on hyvä ja ajantasalla oleva yhteenveto sähköauton komponenttivaihtoehdoista, kannattaa lukea:

http://www.zeva.com.au/tech.php

Niille, jotka eivät halua tehdä kaikkea ihan itse, löytyy onneksi valmiita vaihtoehtoja. Itse en kyllä hankkisi mitään muuta kuin varta vasten ev-käyttöön suunniteltuja komponentteja, mielellään vielä valmiiksi kokeiltuna ja hyväksi havaittuna pakettina. Oikosulkumoottori ja taajuusmuuttuja joko samalta valmistajalta tai valmiiksi toisilleen konfiguroituna.

http://www.brusa.biz/e_welcome.html
http://www.azuredynamics.com/products/force-drive/TractionMotorswithDigitalMotorControllers.htm
http://www.metricmind.com/motor.htm

Kokeneen ev-rakentajan kriittistä AC/DC-vertailua:

http://www.metricmind.com/ac_honda/motor.htm
http://www.metricmind.com/qa.htm