Uploaded by User5580

itki-sistemleri

advertisement
2019 TÜBİTAK ULUSLARARASI
İNSANSIZ HAVA ARACI YARIŞMASI
İtki Sistemleri
Döner Kanat
Dr. Öğr. Üyesi Rıfat BENVENİSTE
Danışma ve Değerlendirme Kurulu Üyesi
Mart 2019 / Gebze, TÜSSİDE
İçindekiler
 Giriş
 İtki Sistem Bileşenleri
 Pervane
 Elektrik Motorları
 Fırçasız DC Motorlar
 ESC
 LiPo Batarya Seçimi
 Örnek İtki Hesabı
 Faydalı Hesap Siteleri
 Sorular
2/32
Giriş
• Hava araçlarında aracın havada kalması için
gerekli taşıyıcılık sabit kanatlı araçlarda
kanatlarda, döner kantlarda ise pervanelerde
sağlanmaktadır.
• Her iki yapıda da taşıyıcılığın sağlanabilmesi
için bir itki kuvvetine ihtiyaç duyulmaktadır.
• Hava taşıtlarında itki için çeşitli motor yapıları
yer alsa da yarışmada elektrikli itki
sistemlerinin
kullanılması
gerekliliğinden
eğitimin geri kalanında İHA larda yaygın
kullanılan elektrikli itki sistemleri anlatılacaktır.
3/32
İtki Sistemi Bileşenleri
Pervane
Motor
Elektronik Hız
Kontrol Ünitesi
(ESC)
4/32
Döner Kanatlı Bir Hava Aracına
Etkiyen Kuvvetler
Fnet=F1+F2+F3+F4
F1
F2
F3
F4
Fnet=W
Dengede Kalma (HOVER)
Fnet>W
Yükselme
Fnet<W
Alçalma
F4+F3>F1+F2
İleri yunuslama (Pitch)
F1+F2>F4+F3
Geri yunuslama (Pitch)
F1+F4>F2+F3
Sağa Yuvarlanma (Roll)
F2+F3>F1+F4
Sola Yuvarlanma (Roll)
F1+F3>F2+F4
Sağa Yalpa (Yaw)
F2+F4>F1+F3
Sola Yalpa (Yaw)
W=Mg
5 /32
Pervane
Pervane de bir kanattır:
Pervanede aynı bir kanatta olduğu gibi üst yüzeyde havanın alt yüzeyden daha hızlı
hareket etmesi sebebiyle alt yüzeyde oluşan basınç kaldırma kuvvetini oluşturur.
6/32
Pervane
Temel Pervane Yapısı
7/32
Pervane
Pitch (Yunuslama) Değeri:
Pervanenin bir turunda kat ettiği yol (inch)
8/32
Pervaneden Elde Edilecek İtki
𝜌𝑟 4 2
𝑇 = 𝑐𝑇 2 𝜔
𝜋
• 𝑐𝑇 : Pervane itki sabiti
• 𝜌: Havanın yoğunluğu (Deniz seviyesinde 1,225
𝐾𝑔/𝑚3 )
• 𝑟: Pervane yarıçapı (m)
• 𝜔: pervane açısal hızı (rad/s)
9/32
Pervane Seçimi
Pervane seçimi toplam kalkış ağırlığı ve motor
özellikleri birlikte değerlendirilerek yapılmalıdır.
Örnek Parametreler
10/32
Doğru Akım Elektrik Motoru
DC Motor Nedir? Nasıl Çalışır?
• Doğru akım motoru elektrik enerjisini mekanik
enerjiye dönüştüren makinedir.
• Motorun içinde yer alan sargılara elektrik akımı
uygulandığında, yine motorun içerisinde bulunan
sabit mıknatıslara zıt yönde oluşan manyetik
kuvvetin etkisi ile hareket etme prensibine dayanır.
• Bu akımın yönünün, sürekli olarak sabit mıknatısa
ters manyetik alan oluşturacak şekilde değiştirilmesi
gereklidir.
• Bu değişim, fırçalı motorlarda motorun sarımlarına
temas eden fırçalar ile, fırçasız motorlarda ise
elektronik hız kontrol devresi tarafından yapılır.
11/32
Fırçalı Doğru Akım Elektrik Motoru
Avantajları:
• Basit sürücü devresi
• Kullanım kolaylığı
• Uygun fiyat
Dezavantajları:
• Bakım gereksinimi
• Düşük verim
• Yüksek EMC
12/32
Fırçasız Doğru Akım Motoru (BLDC)
BLDC motorların avantajları:
• Hız kontrol sabit tork ile yapılabilir,
• Verimleri yüksektir,
• Fırçasız yapıları sebebi ile sürtünme
yoktur, ark yapmaz, karbon tozu
üretmez,
• Boyutları diğer motorlara göre daha
küçük, momenti ise daha yüksektir,
• Yüksek devrilerde problemsiz çalışır,
• Sessiz çalışırlar,
• Çok az ısınırlar,
• Çok daha uzun ömürlüdürler,
• Bakıma ihtiyaç duymazlar.
BLDC motorların dezavantajları:
• Karmaşık bir kontrol devresi vardır,
• Konum sensörlerine ihtiyaç duyarlar,
• Maliyetleri yüksektir.
13/32
Fırçasız Doğru Akım Motoru (BLDC)
Çalışma Prensibi
14/32
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
• İtki Ağırlık Oranı (Thrust To Weight Ratio)
İdeal olarak İHA havada (Hover durumu) yaklaşık
yarı gazda kalabilmelidir. Diğer bir deyişle %50 İtki
oranı ile İHA’yı havaya kaldırabilmeniz gerekir.
Böylelikle kontrol ve rüzgarda stabil kalabilmek için
yeterli itki kuvveti olacaktır.
Örnek: 4Kg ağırlığında 4 motorlu bir döner kanatlı
İHA toplamda 8Kg ağırlık kaldırabilecek itki
kuvvetine sahip olmalıdır. Bu durumda her motorda
2Kg itki kuvveti oluşturacak şekilde motor ve
pervane seçimi yapılmalıdır.
15/32
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
Örnek Motor Verileri
Gerilim
•
•
•
•
•
Pervane
Ölçüleri
Akım
İtki
Güç
Verim
Devir
Verim arttıkça uçma süresi artar.
İHA görev amacına göre İtki ve verim arasında tercih yapılmalıdır.
Düşük gerilimlerde verim artar ancak itki azalır.
Gerilim yükseldiğinde pil ağırlığı da artacaktır.
Bu da toplam kalkış ağırlığının artmasına neden olacaktır.
16/32
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
• Motor Ölçüleri
Radyo Kontrollü araçlarda kullanılan fırçasız DC motorlar «AABB» yapısında
bir kodla tanımlanmaktadır.
AA :stator kalınlığını mm cinsinden
BB :stator yüksekliğini mm cinsinden
Stator yüksekliği arttıkça yüksek devirde güç artar.
Stator genişledikçe düşük devirde tork artar.
17/32
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
KV Değeri:
Hız sabitidir: RPM/Volt
Örnek: 900KV bir motor için,
3S bir pil kullanılmışsa :12.6V Maximum değerde
900 × 12,6 = 11340 Devir/Dakika
2𝜋𝑥𝐾𝑣
𝜔𝑣 =
60
𝜔 = 𝜔𝑣 𝑥𝑉 rad/s
Burada hesaplanan devir yüksüz (pervane yokken) elde edilecek olan devir sayısıdır.
Pervane takıldığında bu devir düşecektir.
Yüksek KV’ li motorlar pervaneyi hızlı döndürecektir. Düşük KV’ li motorlar yüksek tork
üretir.
Düşük KV’li motorlara büyük pervaneler, Yüksek KV’li motorlara küçük pervaneler tercih
edilmelidir.
18/32
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
Gerilim ve Akım Değerleri:
𝑃 = 𝐼. 𝑉
İtki ile motora uygulanan gerilim doğrudan orantılıdır. Kalkış
ağırlığı arttıkça itki için gereken güç aratacaktır.
Seçilen pile bağlı olarak burada uygulayabileceğiniz gerilim
sınırlıdır.
O nedenle motorun çekeceği akım önem kazanmaktadır.
Bunun sonucunda kullanılacak Elektronik Hız Kontrol devresinin
(ESC) seçiminde akım değerleri önem kazanacaktır.
19/32
Elektronik Hız Kontrol Sistemi ESC
Düşük gerilimli PWM servo kontrol sinyali ESC
tarafından yüksek gerilim ve akımda fırçasız
motoru sürecek anahtarlamalı işaretlere
dönüştürülür.
20/32
ESC Bağlantısı
• ESC Yüksek gerilimli bataryaya direkt
bağlanmalıdır.
• Her motor için 1 ESC kullanılması gerekecektir.
• Motor bağlantı uçlarının sırası motorun dönme
yönünü değiştirir.
• Motor beklenenden farklı yöne hareket
ediyorsa önce bu bağlantılar kontrol
edilmelidir.
• ESC kontrol sinyali servo kontrol sinyali ile
aynıdır.
• Motor kontrolü için İHA kontrol bilgisayarından
buna yönelik uygun sinyal üretilmelidir.
21/32
ESC Kontrol Sinyali
ESC kontrol sinyali için standart servo
motorlara uygulanan PWM sinyali
uygulanmalıdır.
1 mili saniye ile 2 mili saniye arasında
darbe genişliği değiştirilerek ESC hız
değeri ayarlanabilmektedir.
Uygulanan sinyalin frekansı 50Hz dir.
22/32
ESC Akım Değerleri ve Programlanması
Fırçasız motorlar ilk hareket aldıklarında
çalışma akımlarının 3 veya 4katı akım
çekmektedir.
Bu nedenle ESC seçiminde motorun çekeceği
standart akım yanı sıra motor pik akımı
düşünülerek ona uygun akım değerlerini
sağlayacak ESC seçilmelidir. Aksi takdirde ilk
hareket anında ESC transistörleri bu akımı
kaldıramayarak yanacaktır.
ESC nin yüksek akımlarda çalışacağı düşünülerek ona uygun bir soğutucusu
üzerinde olmalıdır. Bu soğutucunun da verimli soğutma yapabilmesi için
araç üzerinde hava akımının yüksek olduğu yerlere yerleştirilmesi
gerekmektedir.
23/32
ESC Akım Değerleri ve Programlanması
ESC programlanabilir yapıdadır. Bu özellik
sayesinde ESC’nin gaz açıldığında düşük
tork ile başlama (Yumuşak Başlatma),
voltaj düştüğünde veya ESC fazla
ısındığında motora giden akımı kesme,
dinamik motor freni gibi özellikleri
istediğiniz
ayarlar
ile
yeniden
programlanabilir.
ESC kumanda üzerinden verilen belli komut hareketleri ile
programlama statüsüne geçirilebilir. Bazı ESC’ler teknik özelliklerine
göre
USB
bağlantısı
ile
direkt
bilgisayar
üzerinden
programlanabilmektedir.
24/32
LiPo Batarya
• İtki sisteminin talep ettiği enerjiyi sağlamak için itki sisteminin bileşenlerini
destekleyecek şekilde batarya seçimi yapılmaktadır.
• Diğer derslerde piller ve alternatif enerji kaynakları daha detaylı anlatılacaktır.
• Burada bahsi geçen itki sistemleri bileşenleri için yaygın şekilde kullanılan Lityum
Polimer LiPo bataryaları seçerken hangi kriterlere dikkat edilmesi gerektiğine
kısaca değineceğiz.
25/32
LiPo Batarya
S Değeri (Seri Bağlı Hücre Sayısı):
• Bir LiPo batarya hücresi 3.7V nominal değerli gerilime sahiptir.
• Tam dolu bir hücre 4.2V değerine sahiptir.
• Hiçbir hücre 3V altında gerilim değerine düşmemelidir.
• Yaygın olarak 3S 11,1V veya 6S 22,2 nominal değerli piller İHA’larda
kullanılmaktadır.
• ESC ve Motor gerilimlerinize bağlı olarak uygun S değerli bataryayı
seçebilirsiniz.
26/32
LiPo Batarya
mAh Değeri (Batarya Akım/Saat Kapasitesi)
• Bataryanın 1 saatte kaç miliamper akım sağlayabildiği bilgisini verir.
• Bu değer bataryanızın direkt kapasitesini yansıtır.
• Uçuş süreniz bu değere bağlı olarak sınırlanmaktadır.
Örnek:
İHA’nız ortalama 20A akım çekiyorsa 5000mAh bir batarya (5 x 60)/20 = 15
dakika size enerji sağlayacaktır.
Hiçbir LiPo batarya %100 deşarj edilmemelidir. Bu nedenle hesaplanan süreden
2-3 dakika daha eksik sürede uçuş yapabileceğinizi düşünmelisiniz.
27/32
LiPo Batarya
C katsayısı (Deşarj Oranı)
• Bataryanın ne kadar hızlı deşarj olabildiğini
gösteren katsayıdır.
• Bataryanın kapasitesiyle birlikte
değerlendirildiğinde bir anlam ifade eder.
• Bu katsayı doğru seçilmezse ESC ve
motorunuzun anlık olarak talep ettiği akımı
bataryanız sağlayamaz ve aracınız istediğiniz
performans değerine çıkamayacaktır.
Pilden anlık çekilebilecek akım (A)= C değeri x Pil akasitesi (A)
Örnek:
25C X 5A= 125A
• Örnekteki batarya ile anlık 125A akım sağlanabilmektedir.
• Bunun üstünde akıma ihtiyaç duyan bir ESC kullanıyorsanız batarya bu
akımı veremeyecek, aşırı ısınma ve yanma riski oluşturacaktır.
• Motorun pik akımı da düşünülerek ESC’nin %10 üstünde bir C değeri
seçilmelidir.
• Piller genelde 1C veya 2C değerde akımlarla şarj edilmelidir. 5C üzerinde bir
akımla şarj etmek pilin patlamasına neden olacaktır.
28/32
Örnek İtki Hesabı
Motorun yarı güçte aracın Hover durumunda olmasını istiyoruz.
Seçtiğimiz parametreler
Araç ağırlığı=2Kg
Kv=900
Pil 3s
Pervane= 10x45
𝑌𝑎𝑟𝚤 𝑔üç𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑣𝑖𝑟 = 900 × 12,6/2 = 5670 Devir/Dakika
https://www.apcprop.com/files/PER3_10x45MR.dat
29/32
İtki Hesabı Örnek
𝜔𝑣 =
2𝜋𝑥𝐾𝑣
60
𝜔 = 𝜔𝑣 𝑥𝑉
2𝜋𝑥900
=
=94,2
60
12,6
= 94,2𝑥
=593,46 rad/s
2
10 inch = 0.254m pervane çapı.
Yarıçap = 0.127m
𝜌𝑟 4 2
𝑇 = 𝑐𝑇 2 𝜔
𝜋
1,225𝑥0,1274
2
T = 0,1125
593,46
= 5,12𝑁
2
3.14
𝑚𝑔 2𝑥9,81
𝐹𝑔𝑒𝑟𝑒𝑘𝑒𝑛 =
=
= 4,905𝑁
4
4
30/32
İtki Hesabı İçin Faydalı Uygulama
• https://www.ecalc.ch/
31/32
Sorular?
Teşekkürler…
32/32
TEŞEKKÜRLER
2019 TÜBİTAK ULUSLARARASI
İNSANSIZ HAVA ARACI YARIŞMASI
iha.tubitak.gov.tr
[email protected]
/32
2019 TÜBİTAK Uluslararası İHA Yarışması Eğitim Programı, 23-24 / 29-30 Mart 2019, Gebze
Download
Random flashcards
Merhaba

2 Cards oauth2_google_861773e1-0890-4522-834a-6a5babb58e76

qweeqwqwe

5 Cards oauth2_google_78146396-8b44-4532-a806-7e25cc078908

321işletme

2 Cards oldcity

Terimler

2 Cards oauth2_google_ef32970e-e5f9-4595-9abe-394e9f6bc8d9

Create flashcards