Dimensionierung vor Reglern und Leitungen

[jreise]

Du hast Recht, die Annahme von Noel, dass bei doppeltem Schwebestrom 3A durch die einzelnen Motorleitungen fliessen, ist falsch.

Greifen wir noch mal unser Beispiel von der Reglerdimensionierung auf. Wir möchten aber den größten Verlust an Drehzahl ermitteln, also verwenden wir auch den maximalen Strom. Gehen wir von 4,5 A * 2 = 9 A aus.

Das bedeutet nach dem Stromzusammenhang in der Sternschaltung ein Strom von 3 A pro Leitung.

Wie haben nicht einen Drehstrommotor in Sternschaltung, sondern einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor. Da fliessen die bei Vollgas angenommenen 9A kurzzeitig durch zwei Leitungen, während die dritte stromlos ist. Und damit ist der Spannungsabfall bei 9A für den Drehzahlabfall massgeblich. Damit errechnet sich für 20cm Leitung (2x10cm):

0,1 mm^2 ergibt 0,321 Volt -> 3,2% Drehzahleinbruch
0,5 mm^2 ergibt 0,063 Volt -> 0,6% Drehzahleinbruch
1,5 mm^2 ergibt 0,021 Volt -> 0,2% Drehzahleinbruch

Für die Wärmebelastung sieht die Rechnung anders aus, da hier pro Motorleitung 2/3 des durchschnittlichen Stroms von Bedeutung sind, bei 4,5A pro Motor also 3A wie von Noel oben gerechnet. Das ergibt z.B. eine Wärmebelastung einer 0,1qmm Motorleitung von 0,32W, also eher nicht merkbar. Ein Hitzeproblem gibt es dadurch nicht.

Ein Quadro mit 18A Schwebestrom hat also bei 10cm Motorzuleitung von dünnen 0,1qmm nur 3,2% weniger Drehzahl als bei sehr dicken Leitungen (ohne Berücksichtigung der Lipo- und Reglerzuleitungen). Nun wird in der Praxis keiner ernsthaft dünne 0,1qmm einsetzen. Die Rechnung zeigt aber deutlich, dass hier viele sehr viel dickere Leitungen als nötig einsetzen. Mit Motorleitungen 0,2-0,5qmm, Reglerzuleitungen 0,75-1qmm und Lipoleitung 2,5qmm ist man für den Beispielquadro absolut auf der sicheren Seite, mehr bringt nur mehr Gewicht.

Gruß Jörg

 

[v929]

Genau die gleichen Prozentzahlen hab ich doch auch ausgerechnet. Nur hab ich eben mit 0,4m gerechnet, da im Post eine Leitungslänge von 0,2m angegeben ist. Als Leitung versteht man üblicherweise die Länge des Kabels (und nicht die der Adern).

3,2 % * der von mir genannte Faktor = 6,4 %

Deine und meine Rechnung sind also zumindest theoretisch schonmal korrekt. Sind wir uns also da schonmal einig. Die 2. und 3. Rechnung von dir hab ich nicht nachgerechnet. Wird schon passen.
Damit wäre auch geklärt, dass die Rechnungen vom Ersteller falsch sind (sorry ... ).

In Bezug auf die Wärme hast du Recht. Dass hier nur 2/3 zählen ist korrekt, da immer nur 2 Phasen/Leitungen (oder wie man es nennen mag) aktiv sind.
Trotzdem sollte man auch hier von dem Maximalstrom ausgehen, denn ein so dünner Draht würde sich sehr schnell erwärmen. Kurze Zeit Vollgas oder ein Flug mit großem Winkel und hoher Geschwindigkeit (kann auch mehrere Minuten dauern) würde der Draht nicht lange verkraften.

Ich verstehe nicht, warum die du Leitungen (theoretisch) auf den durchschnittlichen Strom auslegst. Maßgeblich ist der maximale Strom.
Beispiel und Begründung: Viele testen den Maximalschub des Kopters, indem sie ihn am Boden befestigen und Vollgas geben. Diese Situation muss (sollten) die Kabel ohne Nennenswerte Erwärmung einige Sekunden oder Minuten ohne Probleme standhalten.

Meiner Meinung nach müsste man also durchschnittlich von etwa 6A bei Vollgas pro Leitung ausgehen. (Vollgas = 9A => 6A, da eine von drei Leitungen stromlos ist).

1,78x10^-2 (Ohm mal mm² durch m) * 0,2 m (Hier tatsächlich nur 0,2m, weil die Wärme sich ja auf Hin- und Rückleitung verteilt, im Gegensatz zur Spannung, die auf beiden Leitungen abfällt. Meter eigentlich egal, man muss den Wert später nur richtig auf die Einheit W pro Meter umrechnen, da man so den Vergleich ziehen kann.)
-------------------------------------------- <- Bruchstrich
0,1mm²

= 0,0356 Ohm

0,0356 Ohm * 6A = 0,2136v

nochmal * 6A (weil: P = U * I):
0,2136v * 6 A= 1,2816W für 0,2m

Rechnet man das nun in 1m um (wegen Vergleich zur Hausinstallation als Orientierung):
1,2816W * 5= 6,408W pro Meter
(Dieses Ergebnis entspricht also der Rechnung aus #38, Unterschied: statt 9A nun 6A
Deine Anmerkung zu den 2/3 der Leitungen ist korrekt. Das Verhalten bei hochfrequenten Lastwechseln lassen wir mal aus, da hab ich auch keine Ahnung ...)

Vergleich:
3,2W für eine Stromleitung unter Maximalbelastung


Es ist zwar nun "nur" noch der Faktor zwei, aber man darf nicht vergessen, dass das Kabel extrem dünn ist und sich somit äußerst schnell erwärmt.
Fairerweise müsste man auch erwähnen, dass die Kabel am Motor nicht zusammen ein einem weiteren Mantel stecken. Halbiert man den Wert, kommt man dann etwa auf den Wert der Hausinstallation. Damit ist ein sicherer Betrieb schon eher wahrscheinlich.

Mich wundert, dass die falschen Werte bis jetzt noch niemandem aufgefallen sind.

Wärmebelastung einer 0,1qmm Motorleitung von 0,32W

Das Ergebnis ist zwar mit 3A richtig, ich würde aber aus oben dargelegten Gründen mit 6A rechnen.
Rechnet man dein Ergebnis dann noch auf die Meter um (*5), dann kann man es schön mit dem der Hausinstallation vergleichen:
1,6W (zwar halb so hoch, es ist aber kein Vollgas und damit meiner Ansicht nach nicht ganz richtig)

Ein Quadro mit 18A Schwebestrom hat also bei 10cm Motorzuleitung von dünnen 0,1qmm nur 3,2% weniger Drehzahl als bei sehr dicken Leitungen

Stimmt, es sind immer 3,2 % weniger Drehzahl.
Nimmt man wieder die eigentlichliche Leitungslänge von 20cm, kommt man auf mein Ergebnis von 6,4 %. Und diese 6,4 % sind für die Rechnung des Erstellers das richtige Ergebnis.
Durch die Verwendung des falschen Stroms (Faktor 3) und Leitungslänge (Faktor 2), kommt er zum falschen Ergebnis.
Noch eine Anmerkung: Die Kabel sollten sich nicht zu stark erwärmen, da mehr Wärme auch wieder mehr Widerstand bedeutet.


Dass die Leitungen dicker sind als nötig, stimmt.
Mit dem Beispielquadro mit 10cm Zuleitung hast du Recht.

Bei Verwendung der kleinstmöglichen Querschnitte und geringstem Materialeinsatz könnte man einen extrem leichten Kopter bauen. Sollte halt nicht abstürzen. Vielleicht macht das ja mal jemand.


Trotz Kontrolle konnte ich keinen Fehler finden. Hoffentlich hab ich mich nirgends vertan.
Ich glaub, das war mein längster Post bis jetzt.

 

[73bm73]

Ich verstehe nicht, warum die du Leitungen (theoretisch) auf den durchschnittlichen Strom auslegst. Maßgeblich ist der maximale Strom.

Weil die Motoren herstellerseits auch nicht auf den maximalen Strom ausgelegt sind. Deren Maximalangaben sind meistens auf 15s angegeben. Der Faktor Zeit ist daher maßgeblich. Ebenso wird für den Dauerbetrieb der Motoren ein durchschnittlicher Strom mit duchschnittlicher Einsatzdauer (z.B 25A/12min) mit anschließender Abkühlphase (z.B. 10min) angenommen. Genau genommen sollte man daher nie 2 Akkus kurz hintereinander "verfliegen". (Angaben gemäß Fa. Hacker, auf Nachfrage)

Mich wundert, dass die falschen Werte bis jetzt noch niemandem aufgefallen sind.

Vermutlich hat es bisher auch kaum jemanden interessiert, sein Fluggerät aufs absolute Minimum auszulegen. Da ist meistens zu viel Kohle in der Luft um damit Spielchen zu spielen...

 

[jreise]

So ist es. Berechnungen sind kompliziert und demzufolge für die meisten uninteressant. Schreibe mehr als drei Zahlen in eine Textzeile, und du hast mit Sicherheit 95% deiner Leser verloren .

Viele wollen doch einfach nur fliegen und dabei auf der sicheren Seite sein. Da ist es nur zu verständlich, dass die meisten Leitungen und Stecker hoffnungslos überdimensioniert werden. Das bringt zum Glück bis auf das höhere Gewicht keine Nachteile. Insofern sind die Berechnungen hier nur für Leute interessant, die warum auch immer auf Leichtbau oder lange Flugzeit achten wollen oder müssen. Und natürlich für diejenigen, die sich für die Theorie dahinter interessieren .

PS: Zu MK-Anfangszeiten hatten wir auch mal die Diskussion um Leitungsdicken. Für eine Wette hatte ich dann einen 40er Quadro ausschließlich mit dünnem Klingeldraht! aufgebaut. Die "Profis" konnten beim Flugtest keinen Unterschied zum üblichen Aufbau mit dicken Silikonleitungen feststellen.

Gruß Jörg

 

[v929]

Es geht (jetzt) nicht darum, möglichst dünne Kabel zu verwenden. Es geht darum, dass der Ersteller mehrere signifikante Fehler in seiner Berechnung gemacht hat und deshalb die Ergebnisse falsch sind. Das hilft leider keinem weiter und zumindest eine Nachbesserung wäre angebracht.

 

[dingprint]

man könnte ja für die weniger Rechenwütigen eine nette Matrix machen mit Regler-max-Ampere auf der einen Achse und Leitungslänge auf der anderen, aus der man dann einen vernünftigen, minimalen Leitungsquerschnitt rauslesen kann

Ich bin leider Maschbauer und kein Elektriker, daher würd ich das denn "Profis" überlassen.

 

[Jörg]

Hallo,

man könnte ja für die weniger Rechenwütigen eine nette Matrix machen mit Regler-max-Ampere auf der einen Achse und Leitungslänge auf der anderen, aus der man dann einen vernünftigen, minimalen Leitungsquerschnitt rauslesen kann

Ich bin leider Maschbauer und kein Elektriker, daher würd ich das denn "Profis" überlassen.

Ich hab auch Maschinenbau studiert und da ist Elektrotechnik ein ganz wesentlicher Bestandteil. Leitungsquerschnitte in Anbhängikeit von Strom und Länge ist ja wohl unterste Kategorie.... das solltest Du im Schlaf können.

 

[Planer]

Hallo,
ich muss den Strang hier nochmal aufwärmen da ich zwar alles gelesen habe,
aber nun trotzdem genauso so doof wie zuvor da stehe.

Ich möchte zwecks Leichtbau auf unnötig dicke Kabel gerne verzichten.
Es sollen 360KV Motoren an 20A ESC betrieben werden mit einem 10.000mAh 4S Akku soll der Kopter gute 30min fliegen.
Die ESC möchte ich innerhalb der Ausleger unterbringen, sie werden also schlecht gekühlt.
Die Kabel von den Motoren würde ich ohne sie zu verlängern an die ESC löten,
vom ESC zur Verteilerplatte wären es maximal 40cm.

Welche AWG sollte ich also verwenden für:
- XT90 vom Akku zum Verteiler
- vom Verteiler zu den ESC

 

[HSH]

Besser die Kabel zwischen Motor und ESC verlängern als die Leitungen zwischen ESC Verteiler/Lipo! Du brauchst sonst schnell zusätzlichen Elko´s in den Zuleitungen. Die ESC in den Auslegern kannst du bei dem angedachten Verwendungszweck temperaturmäßig vernachlässigen, da gehen im normalen Flug ca. 3-5A durch. Die Spitzenströme bei meinem 3s Kopter lagen bei 40-45A für den gesamten Kopter. Ich würde bei den Leitungsdurchmessern bleiben die an den Komponenten vorinstalliert sind.

 

[Planer]

Jetzt hast du mir Angst gemacht
Ich habe nochmal nachgesehen, die Kabel an den Motoren sind 40cm lang,
heißt die ESC wären ganz am Anfang der Ausleger und die Kabel zum PDB nur noch MAXIMAL 20cm lang.
Immernoch ein Problem?

 

[HSH]

ich will dir keine Angst machen. Die Zuleitungen zu den ESC am Besten immer so kurz wie möglich halten um Spannungsschwankungen im Betrieb zu minimieren/vermeiden (dazu sind übrigens die Elkos an den ESC gedacht). Wenn die Zuleitungen zu lang werden reichen die Elkos nicht mehr aus um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Aber ich denke 20cm sollten Ok sein. Du kannst auch einen etwas größeren Querschnitt nehmen, das reduziert den Leitungswiderstand und damit auch die Spannungsschwankungen etwas. Ich würde auch überlegen ob ich eine Verteilerplatte brauche oder mir direkt eine entsprechende Kabelpeitsche löte.

 

[Planer]

OK Danke Dir, ich werde das mal mit AWG 20 angehen.
Verteilerplatte halte ich schon für sinnvoll da ich ja auch 12V und 5V benötige,
ich dachte da an diese hier: http://www.banggood.com/Matek-Mini-...p=3I2203073329201208V9&p=7Y21131527640201504T
Leider weiß ich nicht ob der 5V BEC gut genug ist ein Powermodul zu ersetzen, das wäre natürlich wunderbar!

 

[HSH]

Du wolltest doch mit ner Pix fliegen, oder? Welche Funke hast du? Bei ner Taranis und einem S-port Empfänger kannst du dir die Telemetriedaten vom Pix an die Funke senden lassen. Dann würde das Powermodul richtig Sinn machen, weil du dann den Akku ohne zusätzliche Sensoren schön einfach über die Funke überwachen kannst.

 

[Planer]

Ja möchte mit Pix Lite fliegen, aber nicht mit Taranis sondern die Telemetrie über die Tower App.
Da bräuchte ich dann aber wohl noch separat ein Powermodul, oder?

 

[HSH]

Du brauchst das Powermodul für die Pix. Damit kannst du locker die Pix, den Empfänger und das GPS versorgen (und normalerweise auch den Telemetriesender) und hast die Strom und Spannungsmessung. Zusätzlich würde ich, je nach Bedarf, noch 1-2 BEC oder (einstellbare) Step-down Regler (5V + 12V) verbauen. Ich hab solche im Einsatz. Die sind recht klein, leicht und günstig. Die 2. 5V Schiene kannst du gleich als redundante Versorgung für die Pix einsetzen. Das mache ich mit dem 5V BEC vom Regler.