Generador Turbo Trainer: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:39

Siempre me ha fascinado la generación de electricidad a través de los pedales. Esta es mi opinión al respecto.

Paso 1: punto de venta único

Estoy usando un controlador de motor VESC6 y un corredor de 192KV que funciona como freno regenerativo. Esto es bastante único en lo que respecta a los generadores de pedal, pero hay una parte más en este proyecto que creo que es novedosa.

Al andar en bicicleta en la carretera tienes inercia y esto mantiene la rotación de los pedales muy constante a lo largo de una revolución. Los entrenadores turbo tienen muy poca inercia, por lo que al presionar los pedales, el volante acelera / desacelera rápidamente y esto se siente antinatural. Los volantes se emplean en un intento de suavizar estas fluctuaciones de velocidad. Los entrenadores para bicicletas estáticas pesan una tonelada por este motivo.

He ideado una solución alternativa a este problema. El controlador del motor está configurado para hacer girar el corredor en "modo de velocidad constante". El Arduino se conecta al VESC6 a través de UART y lee la corriente del motor (que es directamente proporcional al par de la rueda). El Arduino ajusta el punto de ajuste de las RPM del motor gradualmente para simular la inercia y la resistencia que experimentaría al andar en bicicleta en una carretera. Incluso puede simular la marcha libre cuesta abajo al funcionar como un motor para mantener la rueda girando.

Funciona de manera brillante como lo demuestra el gráfico anterior que muestra las RPM del motor. Dejé de pedalear justo antes de los 2105 segundos. Puede ver que durante los siguientes 8 segundos, la velocidad de la rueda disminuye gradualmente, tal como lo haría si dejara de pedalear en una ligera pendiente.

Todavía hay variaciones de velocidad muy leves con los golpes de pedal. Pero eso también es cierto y se simula correctamente.

Paso 2: Prueba de potencia de salida

El ciclismo es la forma más eficaz de realizar trabajos mecánicos. Usé la herramienta VESC para medir la potencia de salida en tiempo real. Puse a cero las lecturas antes de pedalear durante exactamente 2 minutos. Pedaleé a una intensidad que creo que podría haber mantenido durante unos 30 minutos.

Después de 2 minutos, puede ver que produje 6.15 Wh. Lo que corresponde a una potencia de salida promedio de 185 W. Creo que es bastante bueno dadas las pérdidas involucradas.

Puede ver las corrientes del motor en el gráfico de arriba. El VESC6 los ajusta rápidamente para mantener constantes las RPM del motor a pesar del par fluctuante ejercido por el pedaleo.

Cuando el pedaleo se detiene, el motor comienza a consumir un poquito de energía para mantener la rueda girando. Al menos hasta que Arduino se dé cuenta de que no estás pedaleando y detenga el motor por completo. La corriente de la batería parece ser casi cero justo antes del apagado, por lo que la potencia debe ser como máximo de un par de vatios para que la rueda gire activamente.

Paso 3: mirar la eficiencia

El uso del VESC6 mejora enormemente la eficiencia. Convierte la potencia de CA del motor en potencia de CC considerablemente mejor que un rectificador de puente completo. Calculo que tiene una eficiencia superior al 95%.

El accionamiento por fricción es probablemente el punto débil en cuanto a eficiencia se refiere. Después de pedalear durante 5 minutos tomé algunas imágenes térmicas.

El motor llegó a unos 45 grados centígrados en una habitación de 10 grados. El neumático de la bicicleta también habría disipado el calor. Los sistemas de transmisión por correa superarían a este turbogenerador en este aspecto.

Hice una segunda prueba de 10 minutos que promedió 180 W. Después de esto, el motor estuvo demasiado caliente para tocarlo durante mucho tiempo. Probablemente unos 60 grados. ¡Y algunos de los tornillos del plástico impreso en 3D se aflojaron! También había una fina película de polvo de goma roja en el suelo circundante. ¡Los sistemas de transmisión por fricción apestan!

Paso 4: simulación de inercia y arrastre

El software es bastante simple y está aquí en GitHub. La función general está determinada por esta línea:

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

Esto ajusta de forma incremental el siguiente punto de ajuste de RPM (es decir, nuestra velocidad) en función de la fuerza simulada ejercida. Dado que se ejecuta 25 veces / segundo, está integrando efectivamente la fuerza a lo largo del tiempo. La fuerza total se simula de la siguiente manera:

Force = Pedal_Force - Laminar_Drag - Turbulent_Drag - Gradient_Force

La resistencia a la rodadura se incluye esencialmente en el término gradiente.

Paso 5: algunos otros puntos aburridos

Tuve que ajustar los parámetros de control de velocidad PID del VESC para obtener mejores valores de RPM. Eso fue bastante fácil.

Paso 6: lo que he aprendido

He aprendido que los mecanismos de accionamiento por fricción apestan. Después de solo 20 minutos de pedaleo, puedo ver un desgaste visible de los neumáticos y polvo de goma. También son ineficientes. El resto del sistema funciona como un sueño. Creo que un generador accionado por correa podría obtener una eficiencia adicional del 10-20%, especialmente con RPM más altas. RPM más altas reducirían las corrientes del motor y producirían voltajes más altos que creo que mejorarían la eficiencia en este caso.

No tengo suficiente espacio en mi casa para instalar un cajero automático con sistema de transmisión por correa.