Генератор турбо-тренажеров: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Производство электричества с помощью педали всегда увлекало меня. Вот мой взгляд на это.

Шаг 1. Уникальная точка продажи

Я использую контроллер двигателя VESC6 и выдвижной блок 192 кВ, работающий в качестве рекуперативного тормоза. Это довольно уникально для педальных генераторов, но есть еще одна часть этого проекта, которая, на мой взгляд, является новой.

При езде на велосипеде по дороге у вас есть инерция, и это обеспечивает постоянное вращение педалей на протяжении всего оборота. Турбо-тренажеры имеют очень небольшую инерцию, поэтому при нажатии на педали колесо ускоряется / замедляется быстро, и это кажется неестественным. Маховики используются для сглаживания этих колебаний скорости. По этой причине велотренажеры весят тонну.

Я придумал альтернативное решение этой проблемы. Контроллер мотора настроен на вращение отгонного ролика в «режиме постоянной скорости». Arduino подключается к VESC6 через UART и считывает ток двигателя (который прямо пропорционален крутящему моменту колеса). Arduino постепенно регулирует уставку оборотов двигателя, чтобы имитировать инерцию и сопротивление, которое вы испытываете при езде на велосипеде по дороге. Он даже может имитировать спуск с холма на холостом ходу, работая как двигатель, чтобы колесо продолжало вращаться.

Он работает блестяще, о чем свидетельствует приведенный выше график, показывающий обороты двигателя. Я перестал ездить на велосипеде незадолго до 2105 секунды. Вы можете видеть, что в течение следующих 8 секунд скорость колеса постепенно снижается, как если бы вы перестали крутить педали на небольшом уклоне.

При ходах педали все еще есть очень незначительные колебания скорости. Но это также верно в отношении жизни и правильно смоделировано.

Шаг 2: Проверка выходной мощности

Езда на велосипеде - самый эффективный способ выполнения механической работы. Я использовал инструмент VESC для измерения выходной мощности в реальном времени. Я обнулял показания перед поездкой на велосипеде ровно на 2 минуты. Я крутил педали с такой интенсивностью, которую, как мне кажется, мог бы поддерживать около 30 минут.

Через 2 минуты вы можете увидеть, что я произвел 6,15 Втч. Это соответствует средней выходной мощности 185 Вт. Я считаю, что это неплохо, учитывая связанные с этим потери.

Вы можете увидеть токи двигателя на графике выше. Они быстро регулируются VESC6 для поддержания постоянного числа оборотов двигателя, несмотря на колебания крутящего момента, создаваемого педалями.

Когда педалирование прекращается, мотор начинает потреблять немного энергии, чтобы колесо продолжало вращаться. По крайней мере, до тех пор, пока Arduino не заметит, что вы не крутите педали, и полностью не остановит двигатель. Ток батареи почти равен нулю непосредственно перед выключением, поэтому мощность должна составлять не более пары ватт, чтобы действительно активно вращать колесо.

Шаг 3: оценка эффективности

Использование VESC6 значительно повышает эффективность. Он преобразует мощность переменного тока двигателя в мощность постоянного тока значительно лучше, чем полный мостовой выпрямитель. Я считаю, что это более 95% эффективности.

Фрикционный привод, вероятно, является слабым местом с точки зрения эффективности. После 5 минут езды на велосипеде я сделал несколько тепловизионных снимков.

Мотор разогревался примерно до 45 градусов по Цельсию в комнате с 10 градусами. Велосипедная шина тоже могла бы рассеивать тепло. В этом отношении системы с ременным приводом превзойдут этот турбогенератор.

Я провел второй 10-минутный тест, который в среднем дал 180 Вт. После этого двигатель был слишком горячим, чтобы его можно было касаться в течение длительного времени. Наверное, около 60 градусов. И некоторые болты через пластик, напечатанный на 3D-принтере, были ослаблены! На окружающем полу также была тонкая пленка красной резиновой пыли. Системы фрикционных приводов - отстой!

Шаг 4: моделирование инерции и сопротивления

Программное обеспечение довольно простое и находится здесь, на GitHub. Общая функция определяется этой строкой:

RPM = RPM + (a * Motor_Current - b * RPM - c * RPM * RPM - ГРАДИЕНТ);

Это постепенно регулирует следующую уставку числа оборотов в минуту (т.е. нашу скорость) на основе моделируемой приложенной силы. Поскольку это выполняется 25 раз в секунду, это эффективно интегрирует силу с течением времени. Общая сила моделируется следующим образом:

Force = Pedal_Force - Laminar_Drag - Turbulent_Drag - Gradient_Force

Сопротивление качению по существу входит в состав градиента.

Шаг 5: несколько других скучных моментов

Мне пришлось отрегулировать параметры управления скоростью ПИД-регулятора VESC, чтобы лучше удерживать обороты. Это было достаточно просто.

Шаг 6. Что я узнал

Я понял, что механизмы фрикционного привода - отстой. Спустя всего 20 минут езды на велосипеде я вижу видимый износ шин и резиновую пыль. К тому же они неэффективны. В остальном система работает мечта. Я считаю, что генератор с ременным приводом может получить дополнительную эффективность на 10-20%, особенно при более высоких оборотах. Более высокие обороты уменьшат токи двигателя и произведут более высокие напряжения, что, как я думаю, повысит эффективность в этом случае.

У меня в доме недостаточно места для установки банкомата с ременным приводом.