Για βιομηχανικούς κινητήρες που προορίζονται να τροφοδοτούνται απευθείας από το δίκτυο, η NEMA καθορίζει πάντα την απόδοση ενός κινητήρα στην ονομαστική τάση και συχνότητα στην πινακίδα τύπου. Ωστόσο, όταν ένας κινητήρας τροφοδοτείται από έναν οδηγό μεταβλητής συχνότητας, ο προσδιορισμός της απόδοσής του γίνεται πολύ πιο δύσκολο έργο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, από τις τέσσερις σχετικές παραμέτρους που πρέπει να μετρηθούν με ακρίβεια για τον προσδιορισμό της απόδοσης (η οποία, τελικά, είναι ο λόγος της μηχανικής ισχύος εξόδου προς την ηλεκτρική ισχύ εισόδου), μόνο η ταχύτητα και το ρεύμα είναι δυνητικά εύκολο να μετρηθούν, ενώ οι μετρήσεις τιμών τάσης και ροπής με ακρίβεια, τείνουν να είναι πολύ πιο ενοχλητικές.

Όταν ένας κινητήρας τροφοδοτείται από έναν κινητήρα μεταβλητής συχνότητας, ο προσδιορισμός της απόδοσής του γίνεται πολύ πιο δύσκολο έργο.

Η συνήθης λύση για τη μέτρηση της ταχύτητας και της ροπής ενός κινητήρα ταυτόχρονα είναι ένα δυναμόμετρο, και υπάρχουν δύο κύριοι τύποι (και πολλοί υποτύποι) που χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση των ηλεκτρικών οχημάτων: το δυναμόμετρο πλαισίου, το οποίο μετρά την ισχύ με τον κινητήρα ακόμα στο όχημα και το δυναμόμετρο πάγκου που, όπως υποδηλώνει το όνομα, απαιτεί αφαίρεση του κινητήρα για δοκιμή. Το δυναμόμετρο πλαισίου είναι πολύ πιο εύκολο (και πιθανότατα η μόνη πραγματική επιλογή) για τον ιδιοκτήτη του EV, ενώ το δυναμόμετρο πάγκου είναι πιο πιθανό ότι θα χρησιμοποιηθεί από τον OEM κατά την ανάπτυξη του κινητήρα (και του μετατροπέα) και στη συνέχεια για δειγματοληπτικούς ελέγχους ποιότητας στην παραγωγή, καθώς δίνει μια πιο καθαρή αξιολόγηση του κινητήρα, χωρίς απώλειες από το υπόλοιπο σύστημα μετάδοσης κίνησης και τα ελαστικά. Οποιοσδήποτε τύπος δυναμόμετρου μπορεί να χρησιμοποιήσει έναν τριφασικό κινητήρα και έναν μετατροπέα που λειτουργούν σε λειτουργία αναγέννησης ως φορτίο, και με αυτόν τον τρόπο μπορεί είτε να ανακυκλώσει το μεγαλύτερο μέρος της εξόδου του κινητήρα έλξης πίσω στη μπαταρία ή ακόμα και στο δίκτυο (αν και αυτό απαιτεί άλλο μετατροπέα που λειτουργεί σε σταθερή συχνότητα και συγχρονίζεται με το δίκτυο ή συνδέεται με το δίκτυο).

Από την πλευρά της ηλεκτρικής ισχύος εισόδου, είναι σχετικά εύκολο να λάβετε μια ακριβή μέτρηση ρεύματος σε κάθε φάση, παρά το γεγονός ότι η εφαρμοζόμενη τάση είναι μια σειρά από παλμούς που διαμορφώνονται κατά τον κύκλο λειτουργίας. Αυτό συμβαίνει επειδή οι περιελίξεις φάσης έχουν σημαντική επαγωγή, επομένως οι παλμοί τάσης θα δημιουργήσουν ένα (σχετικά) αργά μεταβαλλόμενο ρεύμα σε αυτά. Ωστόσο, οι παρατηρούμενες κυματομορφές τάσης θα παραμείνουν ως διακριτοί παλμοί, γεγονός που καθιστά τη λήψη μιας ακριβούς τιμής RMS για αυτούς λίγο δύσκολη. Εάν η συχνότητα μεταγωγής του μετατροπέα δεν είναι πολύ υψηλή, μπορεί να είναι δυνατό να χρησιμοποιήσετε ένα ψηφιακό πολύμετρο “true-RMS” για να λάβετε ένα ακριβές μέγεθος τάσης, αλλά αυτό δεν θα δείχνει τη σχετική γωνία φάσης μεταξύ της εν λόγω τάσης και του αντίστοιχου ρεύματος φάσης , και απαιτούνται και τα δύο για τον ακριβή υπολογισμό της πραγματικής (σε αντίθεση με τη φαινομενική) ισχύ εισόδου σε οποιονδήποτε κινητήρα εκτός από έναν σύγχρονο τύπο PM που λειτουργεί στην κανονική (δηλαδή χωρίς εξασθενημένο πεδίο) λειτουργία. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το PMSM μπορεί να εμφανίζεται ως φορτίο συντελεστή ισχύος μονάδας – ουσιαστικά ως καθαρή αντίσταση – ενώ όλοι οι άλλοι τύποι κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος φαίνονται σημαντικά επαγωγικοί (άρα το ρεύμα καθυστερεί την τάση). Στην πραγματικότητα, για τον κινητήρα επαγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος, η γωνία φάσης μεταξύ της κυματομορφής ρεύματος και τάσης ποικίλλει περισσότερο ή λιγότερο αντιστρόφως ανάλογα με το ποσοστό φορτίου. Χωρίς φορτίο, το ρεύμα σε κάθε φάση ενός ACIM θα μετατοπιστεί από την τάση του κατά σχεδόν 90 μοίρες, δίνοντας ένα διανυσματικό άθροισμα σχεδόν μηδενικής πραγματικής ισχύος. Αυτό το λεγόμενο «αντιδραστικό» ρεύμα κινείται εμπρός και πίσω μεταξύ του πυκνωτή σύνδεσης DC του μετατροπέα και της επαγωγής των περιελίξεων φάσης, προκαλώντας κάποιες απώλειες στους διακόπτες, τις περιελίξεις κ.λπ., αλλά διαφορετικά θα είναι πολύ μικρή η πραγματική ισχύς (και επομένως η ενέργεια) που απαιτείται από την μπαταρία. Η καλύτερη —και πραγματικά μόνη πρακτική— λύση είναι η χρήση ενός σύγχρονου παλμογράφου 4 καναλιών με μαθηματικές δυνατότητες κυματομορφής που προορίζονται για συντελεστή ισχύος και αρμονική ανάλυση.

Θα πρέπει να είναι προφανές ότι οι απώλειες αντίστασης είναι μια τετραγωνική (τετράγωνη) συνάρτηση του ρεύματος, αλλά δεν είναι τόσο προφανές ότι οι απώλειες ανέμου είναι μια κυβική συνάρτηση του RPM.

Η απόδοση ενός περιστρεφόμενου κινητήρα χωρίς φορτίο, ή ενός με τον άξονά του ακινητοποιημένο, θα είναι 0% και στις δύο περιπτώσεις, επειδή δεν γίνεται καμία χρήσιμη εργασία, αλλά ξεφεύγοντας από αυτές τις ακραίες περιπτώσεις, τι γίνεται όταν ο κινητήρας είναι φορτισμένος 1% ενώ περιστρέφεται στις υψηλές σ.α.λ. ή όταν ο άξονάς του γυρίζει με 1 σ.α.λ ενώ αποδίδει μέγιστη ροπή (όπως στην αρχή της επιτάχυνσης από στάση, για παράδειγμα); Όπως θα ήταν αναμενόμενο, η απόδοση είναι αρκετά χαμηλή και στις δύο περιπτώσεις, αν και για πολύ διαφορετικούς λόγους. Για τον ελάχιστα φορτωμένο κινητήρα, οι κύριοι παράγοντες απώλειας θα είναι ο άνεμος ή οι αεροδυναμικές απώλειες που προκύπτουν από τον δρομέα που πρέπει να σπρώχνει αέρα από τη μέση καθώς περιστρέφεται, ακολουθούμενες από διάφορες ηλεκτρικές απώλειες εναλλασσόμενου ρεύματος στις περιελίξεις του στάτορα, στο ρότορα και στο τμήμα του περιβλήματος του κινητήρα που ολοκληρώνει το μαγνητικό κύκλωμα που συνδέει τον ρότορα και τον στάτορα μεταξύ τους, και, τέλος, από απώλειες τριβής και οπισθέλκουσας στα ρουλεμάν. Για τον σχεδόν σταματημένο κινητήρα, σχεδόν όλες οι απώλειες προέρχονται από το I2R, λόγω της αντίστασης των περιελίξεων του στάτη για όλους τους τύπους κινητήρα, καθώς και της αντίστασης των ράβδων βραχυκύκλωσης στον ρότορα για το ACIM, ειδικά. Θα πρέπει να είναι προφανές ότι οι απώλειες αντίστασης είναι μια τετραγωνική (τετράγωνη) συνάρτηση του ρεύματος, αλλά δεν είναι τόσο προφανές ότι οι απώλειες ανέμου είναι μια κυβική συνάρτηση του RPM. Για παράδειγμα, ένας κινητήρας που έχει 10 W απώλειας ανέμου στις, για παράδειγμα, 3.000 RPM, θα συγκεντρώσει 270 W απώλειας στις 9.000 RPM. Ένα άλλο πιθανό μειονέκτημα στη λειτουργία ενός PMSM, συγκεκριμένα, σε αρκετά υψηλές ταχύτητες που απαιτούν εξασθένηση πεδίου είναι ότι αυτό κοστίζει πραγματικά ενέργεια, καθώς ένα μέρος του ρεύματος του στάτη στη συνέχεια πηγαίνει προς την αντίθεση του πεδίου που παράγεται από τους μαγνήτες του ρότορα, αντί να συνεργάζεται με αυτό και να παράγει ροπή. Το αντίθετο ισχύει για το ACIM – η αποδυνάμωση του πεδίου εξοικονομεί πραγματικά λίγη ενέργεια επειδή το πεδίο πρέπει να προκληθεί στον ρότορα από τον στάτορα εξαρχής (έτσι απλά επάγετε λιγότερο και το πεδίο εξασθενεί). Επίσης, η εφαρμογή υπερβολικής αποδυνάμωσης πεδίου σε ένα PMSM μπορεί να απομαγνητίσει οριστικά τους παλιούς μόνιμους μαγνήτες του.

Όσον αφορά τις απώλειες I2R που προκύπτουν κατά την επιτάχυνση από μια στάση, μια κοινή ερώτηση είναι εάν είναι καλύτερο να ξοδεύετε λιγότερο χρόνο σε υψηλότερη ροπή (δηλαδή ρεύμα) για να ανεβείτε ταχύτητα ή αναλογικά μεγαλύτερο χρόνο σε χαμηλότερη ροπή. Η πιο κατάλληλη εξίσωση για την ενέργεια σε αυτήν την περίπτωση είναι I2R* t (που είναι απλώς μια άλλη έκφραση του γινομένου των watt και του χρόνου), αλλά ένας παράγοντας που λείπει είναι το πώς η ροπή μεταβάλλεται με το ρεύμα, και αυτό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο του κινητήρα και τη συγκεκριμένη στρατηγική ελέγχου που χρησιμοποιείται από τον μετατροπέα. Σε γενικές γραμμές, ωστόσο, η ροπή στους περισσότερους κινητήρες είναι μια γραμμική συνάρτηση του ρεύματος μέχρι ένα ορισμένο επίπεδο ρεύματος (κορεσμός), οπότε είτε κορυφώνεται και πέφτει, είτε αρχίζει να πέφτει ξανά (π.χ. ροπή κατάρρευσης σε ένα ACIM). Η πιο αξιοσημείωτη εξαίρεση σε αυτόν τον κανόνα είναι ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος πεδίου σειράς, στον οποίο η ροπή είναι μια τετραγωνική συνάρτηση του ρεύματος μέχρι τον κορεσμό της δομής του πεδίου, οπότε και επανέρχεται σε γραμμική συνάρτηση. Εν πάση περιπτώσει, δεδομένου ότι οι απώλειες από το ρεύμα είναι τετραγωνικές ενώ η ροπή είναι γραμμική, αυτό σημαίνει ότι οι απώλειες είναι διπλάσιες εάν επιταχύνουμε δύο φορές πιο γρήγορα αλλά για το ήμισυ του χρόνου για να φτάσουμε σε μια δεδομένη ταχύτητα.

Τέλος, υπάρχουν μικρές διαφορές στην απόδοση λόγω της πραγματικής στρατηγικής ελέγχου του μετατροπέα. Η συντριπτική πλειονότητα των 3-φασικών μετατροπέων για εφαρμογές έλξης θα χρησιμοποιεί αυτό που γενικά ονομάζεται διανυσματικός ή προσανατολισμένος στον τομέα έλεγχος, αλλά υπάρχει μια άλλη προσέγγιση που ονομάζεται άμεσος έλεγχος ροπής, η οποία αναπτύχθηκε αρχικά επειδή ήταν πολύ λιγότερο υπολογιστικής έντασης. Τότε που οι πιο ισχυροί μικροελεγκτές είχαν εύρος 8 bit (και έπρεπε να προγραμματιστούν σε γλώσσα συναρμολόγησης, αντί για πιο φιλικές προς τον άνθρωπο γλώσσες όπως η C ή η C++), οι μέτριες υπολογιστικές απαιτήσεις του DTC ήταν πολύ επιτακτικές, αλλά ακριβώς όπως έχουν γίνει τα Microsoft Windows όλο και πιο φορτωμένα καθώς η ταχύτητα της CPU και το μέγεθος της μνήμης έχουν αυξηθεί, το ίδιο και οι μηχανικοί σχεδιασμού μετατροπέων έχουν κακομάθει από τη μαζική αύξηση της υπολογιστικής ισχύος που διατίθεται στους σύγχρονους μικροελεγκτές, DSP (επεξεργαστές ψηφιακού σήματος) και FPGA (προγραμματιζόμενες σε πεδίο συστοιχίες πύλης). Σε αυτό που μοιάζει σχεδόν σαν ένα redux του πολέμου Betamax εναντίον VHS του παρελθόντος, το FOC χρησιμοποιείται πολύ πιο συχνά, παρά το γεγονός ότι για την καλύτερη απόδοση απαιτεί τρομακτικό ποσό υπολογισμών ανά δευτερόλεπτο και συχνά μη πρακτικό επίπεδο γνώσης των παραμέτρων του κινητήρα (επειδή πολλές από αυτές τις παραμέτρους είτε έχουν χαλαρές ανοχές στην αρχή—όπως η διαπερατότητα του ηλεκτρικού χάλυβα—ή αλλάζουν με τη θερμοκρασία—όπως οι αντιστάσεις όλων των μετάλλων).

Σε γενικές γραμμές, το FOC είναι καλύτερο στο να διατηρεί σταθερή ταχύτητα και να παρέχει ομαλή ροπή, ιδιαίτερα σε χαμηλές στροφές, ενώ το DTC έχει καλύτερη δυναμική απόκριση και πολύ λιγότερη ανάγκη πρόβλεψης των παραμέτρων του κινητήρα για σωστή λειτουργία.

Υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός μεταθέσεων τόσο του DTC όσο και του FOC, αλλά σε γενικές γραμμές, το FOC είναι καλύτερο στο να διατηρεί σταθερή ταχύτητα και να παρέχει ομαλή (δηλαδή μη παλλόμενη) ροπή, ιδιαίτερα σε χαμηλές στροφές, ενώ το DTC έχει καλύτερη δυναμική απόκριση και πρέπει να γνωρίζει πολύ λιγότερο και/ή να προβλέψει τις παραμέτρους του κινητήρα για να λειτουργήσει σωστά, και επομένως είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητο σε αλλαγές αυτών. Όσον αφορά τις διαφορές στη συνολική απόδοση (δηλαδή κινητήρα συν μετατροπέα), το πλεονέκτημα θεωρητικά πηγαίνει στο FOC, έστω και μόνο επειδή έχει πολύ μικρότερο κυματισμό ροπής, αλλά στον πραγματικό κόσμο είναι πιθανώς μια ανατροπή, ειδικά όταν συνδυάζεται με ένα PMSM. Ωστόσο, με ένα ACIM, το κλασικό FOC επιχειρεί να διατηρήσει τη ροή πλήρους πεδίου ανά πάσα στιγμή, ανεξάρτητα από το πόση ροπή απαιτείται για να δώσει την καλύτερη μεταβατική απόκριση (από, για παράδειγμα, ξαφνικό σφυρί στο πεντάλ του γκαζιού), ενώ το DTC με Space Vector Modulation (γνωστό και ως SVM, που χρησιμοποιούν οι περισσότερες —αν όχι όλες— οι σύγχρονες υλοποιήσεις) απλώς επιλέγει το κατάλληλο (ή το πλησιέστερο, ούτως ή άλλως) διάνυσμα τάσης από έναν πίνακα αναζήτησης που βασίζεται σε ένα μοντέλο εσωτερικού κινητήρα για να παρέχει οποιαδήποτε ροή πεδίου και ροπή απαιτούνται για το φορτίο εκείνη τη στιγμή. Ένα πράγμα για το οποίο πρέπει να είμαστε πολύ δύσπιστοι, ωστόσο, είναι οι ισχυρισμοί για παροχή (ή διατήρηση) καλής απόδοσης χωρίς ανάδραση ταχύτητας ρότορα (ACIM) ή θέσης (PMSM), γνωστή και ως λειτουργία “χωρίς αισθητήρα”. Σε γενικές γραμμές, η μέγιστη επιτεύξιμη ροπή ανά amp —και επομένως η τελική απόδοση, πραγματικά— μειώνεται όταν ο μετατροπέας στερείται πληροφοριών για την ταχύτητα/θέση του ρότορα, και αυτό θα πρέπει να θεωρείται ως limp-home mode, παρά ως κανονικός τρόπος λειτουργίας.

Πηγή: https://chargedevs.com/features/how-a-motors-operating-speed-torque-and-control-strategy-affect-its-efficiency/

Φωτογραφία από Davgood Kirshot από το Pixabay

Οι γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος παράγουν υψηλό ρεύμα από τις χαμηλές ήδη στροφές. Λόγω όμως των χαμηλών στροφών σε σχέση με την αποδιδόμενη ισχύ δημιουργούνται σ’ αυτές τις χαμηλές περιοχές λειτουργίας αυξημένες θερμοκρασίες των εξαρτημάτων.

Στις αερόψυκτες γεννήτριες η ψυκτική ισχύς εξαρτάται από τις στροφές, γεγονός που δημιουργεί σε μεγάλη ισχύ εξόδου με ταυτόχρονη ύπαρξη χαμηλών στροφών πολύ υψηλή  θέρμανση των εξαρτημάτων. Οι υψηλές θερμοκρασίες του περιβάλλοντος ενισχύουν την κατάσταση αυτή.

Στην υδρόψυκτη γεννήτρια την ψύξη αναλαμβάνει ένα χιτώνιο νερού γύρω από την περιέλιξη του στάτη και την επιφάνεια της πλάκας του φορέα των διόδων του ανορθωτή και του ρυθμιστή.

Το υδροχιτώνιο της γεννήτριας είναι συνδεδεμένο με το κύκλωμα ψύξης του κινητήρα.

Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η διαρκής καλή ψύξη σε όλες τις περιοχές λειτουργίας.

Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τη μέχρι τώρα κρίσιμη περιοχή λειτουργίας – της υψηλής ισχύος σε χαμηλές στροφές.

Ο “ανοιχτός” τρόπος κατασκευής προς το δίσκο της τροχαλίας εξασφαλίζει στο δρομέα και τους συνδέσμους την ανανέωση του ψυχρού αέρα. Στην περίπτωση αυτή είναι επαρκής ο αεροστροβιλισμός του δρομέα. Η κατασκευή αυτή επέτρεψε την κατάργηση της φτερωτής. Μόνιμοι μαγνήτες μεταξύ των συνδέσμων του δρομέα βελτιώνουν τη μαγνητική ροή ανάμεσα στο δρομέα και στην περιέλιξη του στάτη και συμβάλλουν στην αύξηση του βαθμού απόδοσης.

Οι πόλοι των μόνιμων μαγνητών έχουν τοποθετηθεί με ίδια πόλωση ως προς τους συνδέσμους του δρομέα.

Οι μόνιμοι μαγνήτες έχουν μόνο σχετικά μικρό μαγνητισμό, για να διατηρούν μικρή την αυτοδιέγερση και να διασφαλίζουν τη δυνατότητα ρύθμισης της
τάσης της γεννήτριας.

Η χρησιμοποίηση μόνιμων μαγνητών ανάμεσα στους συνδέσμους του δρομέα βελτιώνουν τη μαγνητική ροή (από τους συνδέσμους στην περιέλιξη του στάτη και αντίστροφα). Με τον τρόπο αυτό εμποδίζεται η διάχυση της ροής ανάμεσα στους επιμέρους πόλους.

Άλλα πλεονεκτήματα της υδρόψυκτης γεννήτριας:

• ελάχιστη δημιουργία θορύβου λόγω της απουσίας της φτερωτής (κανένας αεροδυναμικός θόρυβος ροής)
• ήρεμη λειτουργία λόγω της κλειστής και στιβαρής κατασκευής του κελύφους της γεννήτριας
• η μειωμένη ισχύς εισόδου λόγω κατάργησης της φτερωτής επιφέρει αύξηση του βαθμού απόδοσης έως 5 % (ανάλογα με τις στροφές)
• αξιοποίηση της απώλειας θερμότητας στο κύκλωμα ψύξης του κινητήρα κατά τη διάρκεια της φάσης προθέρμανσης
• υψηλή ικανότητα απόδοσης λόγω συνεχούς ψύξης μέσω της περιοχής στροφών.
• δεν επηρεάζεται από υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος