Fluxroadd
Motivatie keuzes
Het onderwerp van ons profielwerkstuk is de Fluxroadd. Dit betreft dus een weg en een elektrische auto.
Het is voor ons helaas onhaalbaar om een echte Fluxroadd te bouwen met een elektrische auto die geschikt is om de magnetische flux op te vangen. Daarom hebben we gekozen voor een alternatief, namelijk: een modeltrein. Gerben heeft vele modeltreinen tot zijn beschikking, dus dit was ideaal. Met een modeltrein kun je de Fluxroadd nabootsen, alleen is de weg in dit geval een rails. Voor het overige materiaal hebben we gebruik gemaakt van het materiaal dat aanwezig was op school. Op school waren genoeg spoelen met hetzelfde aantal windingen aanwezig. Dit was nodig omdat er anders een transformatorwerking tussen de spoelen optreedt. Een transformator is nooit ideaal, dus hierbij zal altijd extra verlies optreden.
Proefopstelling
Een uitgebreide beschrijving over de bouw en werking van de proefopstelling. In de proefopstelling maken we de Fluxroadd zo goed mogelijk na waarbij we streven naar een zo hoog mogelijk rendement. Hierbij gebruiken we de resultaten van de experimenten. Naast een zo hoog mogelijk rendement zal het geheel ook visueel aantrekkelijk zijn, omdat we de proefopstelling laten zien bij onze presentatie. Deze pagina bestaat uit de volgende onderdelen:
Het resultaat
De basis was een spaanplaat van 170x90 cm 18 mm dik, we hebben voor deze maten gekozen omdat dit de maximale grootte is die we kunnen transporteren.
Aan een van de lange kanten van de plaat hebben we gaten geboord, als basis voor de sleuven voor de spoelen. We hebben sleuven gemaakt omdat we een zo klein mogelijke afstand wilden hebben tussen de dynamische en statische spoel. Indien de sleuven te groot werden, zou de trein vallen, omdat de rails niet genoeg stevigheid biedt.
Hierna was het tijd om het spoor neer te gaan leggen, eerst hebben we de railsstukken aan elkaar verbonden met railverbinders. Vervolgens (toen het gehele rondje netjes was gelegd) spijkerden we deze vast met kleine, messing spijkers, deze spijkers hebben geen invloed op de werking van de experimenten. We werken met gelijkstroom, dit houdt in dat de ene biels de plus is en de ander de min. De trein krijgt deze stroom binnen via de wielen, de stroom drijft de gelijkstroommotor aan in de trein, die weer de wielen van de trein aandrijft.
Vervolgens kon het testen met de twee locomotieven beginnen. We hebben gekozen voor deze twee (mogelijke) locs, om de volgende redenen:
-
Ten eerste moesten we een loc hebben die vrij sterk is, er is namelijk een verschil in kracht in de locomotieven, de een werkt beter dan de ander. Het hangt onder andere af van het merk, de aandrijving en de elektromotor. De loc waar wij uiteindelijk voor hebben gekozen is een locomotief die op alle vier de assen is aangedreven d.m.v. wormwielen (verbindingen tussen de elektromotor en de assen). Door de aandrijving op alle vier de assen was deze locomotief zeer sterk en kon deze gemakkelijk de zware spoelwagon met ijzeren kernen trekken.
-
De tweede eis was dat de loc goed moest kunnen variëren in snelheid. Sommige modeltreinen hebben maar één rijsnelheid, terwijl de loc die wij wilden gebruiken met verschillende snelheden moest kunnen rijden. De lage snelheid is meestal een probleem voor de locomotief, deze begint dan te haperen. Voor de loc die wij hadden gekozen was dit geen probleem.
De bouw
We hebben de gehele opstelling voor de experimenten zelf gebouwd.
De loc die we uiteindelijk hebben gekozen was een locomotief naar voorbeeld van de Oostenrijkse spoorbanen (ÖBB) rijdende dieselloc type 2016, ook wel genaamd “Hercules”.
Werking
In onderstaande afbeelding is de proefopstelling schematisch weergegeven. We gebruiken een wisselspanningsbron (van 26 volt) waarop verschillende spoelen parallel zijn aangesloten. Per sleuf kunnen we twee spoelen kwijt, met drie sleuven kunnen we dus maximaal 6 spoelen kwijt onder de rails. Dit geheel noemen we de statische schakeling. Daarboven rijdt de trein met een locomotief, een spoelwagon en de wagon met de schakeling. Dit geheel is de dynamische schakeling. Hieronder gaan we verder in op de statische en dynamische schakeling.
Statische schakeling
De spanningsbron hebben we geleend van school, deze spanningsbron transformeert de stroom die hij haalt uit het stopcontact, hij transformeert de 230 V wisselspanning naar 26 V wisselspanning. We hebben gekozen voor 26 V omdat dit de maximale spanning is die de statische spoelen aankunnen met weekijzeren kern.
De spanningssbron
De spoelen zijn parallel aangesloten op de wisselspanningbron.
We hebben voor parallel gekozen, omdat we hierdoor een grotere stroomsterkte creëren. (Voor meer informatie klik hier)
De spoelen hebben 600 windingen. Er zit een weekijzeren kern in, omdat hierdoor een sterker magnetisch veld wordt gecreëerd dan eenzelfde spoel zonder weekijzeren kern.
De spoelen
Dynamische schakeling
Boven de statische spoelen rijdt de trein met een constante snelheid. De inductiespanning die wordt gecreëerd door de spoel als wagon (de dynamische spoel), wordt met een gelijkrichter omgezet in gelijkspanning. Deze gelijkspanning wordt opgeslagen in de gelijkstroomcondensator. De rest van de dynamische schakeling krijgt energie zolang er energie is opgeslagen in de condensator; als de LED’s uit zijn, dan is er geen energie meer. Op deze manier konden we aantonen dat er sprake was van een inductiespanning in de dynamische spoel en hoe groot de energie was die werd opgeslagen. We konden mooi zien dat ook al was de trein ver voorbij de statische spoelen, de LED’s nog gewoon branden. Er werd dus energie opgeslagen in de condensator.
De schakeling na de gelijkstroomcondensator is geen normale schakeling, we hebben ervoor gekozen om de LED met weerstand die we met het aantoningsexperiment hebben gebruikt te laten zitten. Verder hebben we nog een black box met twee LED’s aangesloten op de schakeling. De black box is een elektronisch hulpmiddel dat regelde dat de LED’s die erop aangesloten waren om en om gingen branden.
De dynamische schakeling op de wagon
Uit deze foto blijkt waarom deze schakeling dynamisch wordt genoemd
Condensator
In onze dynamische schakeling hebben we een condensator gebruikt. Een condensator kan in een elektrische schakeling gedurende korte of langere tijd een kleine hoeveelheid energie opslaan en weer afgeven.Eerst zullen we bespreken over hoe de condensator zijn energie opslaat, daarna hoe hij deze weer afgeeft.
Opladen
De condensator is aangesloten op de dynamische spoel, deze spoel ging zeer snel over de statische spoelen heen, dus er was een korte tijd waarin er energie kon worden opgeslagen in de condensator. De condensator heeft een bepaalde capaciteit (C), in ons geval 1000 µF. We hadden een draadweerstand (R) van 0,7 Ω gemeten. Met deze twee gegevens kunnen we de laadtijd van de condensator uitrekenen in s.
Er geldt:
waarbij 1 τ gelijk is aan de tijd (in s) die nodig is om 63,2% van de maximale laadspanning op te laden in de condensator.
Wij hebben dus een laadtijd van 0,7 x 1000e-6=7e-4 s, is 0,0007 s. Dit betekent dat onze condensator in 0,0007 s al op 63,2% van de lading zit. Wij kunnen dus aannemen dat de condensator de maximale spanning die kan worden overgedragen tussen de spoelen (bijna) helemaal opslaat, want na 5τ is de aanwezige spanning 99,3%, wat 0,0035 s is. Het opladen van een condensator gaat volgens een e-macht, zie grafiek.
De condensator wordt mogelijk opgeladen tot 5,54 V, want de tijd die de spoel over het magnetisch veld aflegt is groter dan de tijd die de condensator erover doet om de maximale energie op te slaan. De maximale spanning die wordt gecreëerd is 5,54 V. Dit hebben we gemeten in het experiment ‘air gap’.
De trein rijdt (met spoelen aan) minimaal 0,27 m/s en maximaal 0,48 m/s. De afstand over twee paar spoelen, parallel geschakeld onder de rails, is 8,0 cm. Dus de tijd die de dynamische spoel over de statische spoelen heen gaat is maximaal (t=s/v=0,08/0,27=) 0,30 s en minimaal (t=s/v=0,08/0,48=) 0,17 s. Dit is allebei veel langer dan dat de condensator nodig heeft om op te laden, dus hebben we de maximale energie die mogelijk wordt overgedragen tussen de spoelen opgeslagen.
Ontladen
Het ontladen van een condensator gaat volgens een omgekeerde e-macht, zie grafiek.
De LED’s hebben een minimum spanning nodig om te branden, U=0,7 V. De condensator slaat tijdens het rijden een spanning van 5,54 V op, gemeten met voltmeter. Gedurende 1,2 s branden de LED’s, want als de spanning onder de 0,7 V komt, dan branden de LED’s niet meer.
We hebben in het experiment de ‘air gap’ een stroomsterkte van 8,6 mA gemeten in de dynamische schakeling. Met dit gegeven kunnen we het vermogen uitrekenen van de dynamische schakeling:
P=UxI
P=5,54x8,6e-3
P=48 mW
Dit geldt voor de hele schakeling.
Ons vermogen in de dynamische schakeling is dus 48 mW.
Filmpje
In dit filmpje zullen we u uitleggen hoe onze hele proefopstelling werkt:
Hieronder vindt u de schakelingen die we hebben besproken:
Statische schakeling
-
Een variabele spanningsbron ingesteld op 26V wisselspanning en een stroomsterkte van 5A.
-
Hierop zijn twee spoelen parallel aangesloten. Deze spoelen staan naast elkaar, de één met de noordpool naar boven gericht de ander met de zuidpool naar boven gericht, zodat ze elkaar versterken
-
De statische schakeling schematisch weergegeven:
Dynamische schakeling
-
Een spoel is bevestigd op een wagon op zo'n manier dat de wagon de magnetische flux niet beïnvloed.
-
Deze spoel is aangesloten op een gelijkrichter
-
De spoel is verbonden met een condensator. Hierin wordt de energie opgeslagen.
-
Daarna gaat de energie naar drie LED lampjes, zodat goed te zien is of er energie is opgeslagen in de condensator.
-
De dynamische schakeling schematisch weergegeven:
