Ladeelektronik f kl. Windkraft Anlage

[sombrero]

Ich heiße Peter, dies ist mein erster Beitrag (sombrero).

Vor 10 Jahren habe ich in meinem Garten im Norden Hamburgs eine Windkraftanlage aufgebaut. Auf Grund schlechter Windverhältnisse war die Leistung nur gering. Nur selten die erwarteten 100W.
Ich weiß, ein 230V 60W Lämpchen hätte es auch getan, aber es ging mir eher um Erkenntnisse.
Der Generator war eine umgebaute Remy Delco Lichtmaschine. Geladen wurde eine 12V 55Ah Autobatterie und der Antrieb war ein Zweiflügler mit 1.9 meter Durchmesser.
Gedacht hatte ich an etwa 6 meter/sec Windgeschwindigkeit.
Die LiMa leistete vorher im Original 400W bei 1000 U/min. Ich wollte sie auf 100W bei 250 U/min bringen.
Der Rotor blieb wie er war, der Stator bekam eine andere Wicklung. Die 6 Gleichrichterdioden blieben erhalten, der Spannungsregler wurde ausgebaut.
Den Stator habe ich neu gewickelt, wieder mit einer 3 Phasenwicklung. Sie ist inneren als Sternschaltetung verdrahtet.
Daten: (Draht) (Querschnitt) (Wdg) (Spannung V) (Strom A) (Leistung W) (U/min)
vorher: 1.2 1.1 20 12 32 384 1000
nachher: 0.6 0.28 80 12 8 96 250
Der Rotor ist 14polig, daher der Stator ebenso. Ich konnte die Wicklung als Wellenwicklung oder Zopfwicklung auszuführen. Die Wellenwicklung bekam den Vorzug.
Bei 42 Nuten und Wickelschritt 1:4 sind das 3 Spulen die jeweils bis zum Ende durchgelegt werden. Für jede Phase eine. Das eribt 14 Pole.
Auch nach Art eines Ringkerns kann man den Stator bewickeln. Wenn das jemand will, dann 3 Nuten voll wickeln und immer die nächsten 3 Nuten jeweils im umgekehten Wickelsinn voll usw. rundum. Das ergibt ebenfalls 14 Pole. Aber es ist keine Drehstromwicklung mehr sondern eine Wechselstromwicklung, die auch keine 6 Gleichrichterdioden benötigt sondern nur 4.
Ich finde diese Wicklung trotzdem interessant. Leider gibt es am Ende mit der Montage der Lagerschilde Probleme.
Vorteil des Generators: Kein Rastmoment, Spannungsregelung über Rotorstrom möglich.(später dafür eine getaktete Regelung).
Nachteil: Reibung und Übergangsverluste an den Schleifringen. Rotorstrom geht dem Ladestrom verloren.(ca3.5A).
Noch kurz zur Funktion der Schaltung:
T1 ein p-Kanal Mos Fet legt periodisch alle 5sec die Batteriespannung für 0.5sec an die Rotorwicklung(3.3Ohm). Der Signalgang ist D4---Ic---BC108C---T1.
Der Rotor ist jetzt für 0.5sec magnetisch. Ist während dieser 0.5sec soviel Drehzahl da, daß an D1 13V liegt, sowird der Rotor durchgehend magnetisiert.
Die Batterie wird nun geladen. Der Signalgang dann ist 4.7k---D2---D3---Ic---BC108C---T1. Sinkt die Spannung unter 13V, sperrt T1 und Magnetfeld wird Null.
Keine Ladung mehr. Der Zyklus 0.5sec zu 5sec beginnt erneut. Das bedeutet auf Wind warten.
Beim Abschalten des Feldes ensteht Selbstinduktionsspannung. Eine Induktivität versucht ja immer ihren gegenwärtigen Zustand aufrecht zu erhalten. Ihr Zustand ist der Stromfluß. Sie antwortet
beim abschalten mit einer Spannungsspitze die die gleiche Richtung wie der Strom hat. Um die Spitze klein zu halten kann man sie vernichten (Freilaufdiode) oder auffangen (Kondensator).
Der Elko 1000uF(40V) dient hier neben seiner Glättungsaufgabe auch der Aufnahme dieser Induktionsspannung. Es sind allerdings nur wenige (mWs) die da gerettet werden.

Zeichnung(Ladeelektronik f LiMa) als Anhang.

[Bernd]

Hallo Peter und herzlich willkommen hier bei uns im Forum.
Vielen Dank für deinen interessanten Bericht den du uns da geliefert hast.

Du hast die Lichtmaschine also so umgewickelt das sie schon bei 250 U/min in den Ladebereich geht .
Fängt deine Schaltung (aus Stromspargründen) dann erst ab dieser Drehzahl an zu arbeiten ?
Theoretisch wäre es vermutlich sogar noch idealer wenn sie erst ab der Drehzahl anfangen
würde zu arbeiten ab der die notwenige Leistung für die Magnetisierung des Läufers "übrig"
ist und Nutzleistung Richtung Akku fliessen kann.

Die Wicklung nach Art eines Ringkerns hatten wir neulich gerade hier besprochen.
Hast du das schon einmal real aufgebaut ?

Grüsse

Bernd

[sombrero]

Hallo Bernd

Das ich meinen Beitrag nicht an das öffentliche Forum geschickt habe, war kein Zufall und keine Absicht. Es war pure Unkenntnis. Ich habe nicht den Weg dahin nicht gefunden. (jb79) Jürgen hat mir
weitergeholfen. In Datenverarbeitung bin ich schlecht.
Zu deiner Frage und Anregung: Du hast recht, daß meine Schaltung bei 250U/min anfängt zu laden. Dann sind 13V an der Diode D1. Vorher, bei Windstille, zieht die Rororwicklung nur Strom(3.5A). Aber durch den Takt 0.5sec : 5sec nur noch 1/10. Immerhin 0.35A x 12V =4.2W.
Ein anderer Einstieg in die Ladephase 250U/min könnte sein:
1.Restmagnetismus im Rotor nutzen. Der induziert auch eine Spannung (ist wohl viel zu klein u. daher störanfällig). Das ist überhaupt eine windige Sache. Da man nie weiß wie groß Restmagnetismus heute oder morgen ist.
2.Tachogenerator oder Fahraddynamo dem man irgendwie eine Übersetzung verpasst. (2 Leitungen extra nach unten).
3.Impulgeber (Reflexionslichtschranke) Impulse auszählen auswerten und dann in den Signalgang 4.7k---D2---D3---Ic---BC108C---T1 eingreifen. (3 Leitungen extra nach unten)
Die 0.35A die da immer fließen bei Winstille sind recht ärgerlich. Aber eine intakte Batterie kann das liefern ca. 160Stunden bis sie leer u. geschädigt ist.
Dazu soll es nie kommen wir bekommen vorher Wind.

Peter sombrero

[jb79]

Eventuell könntest du das mit der Winderkennung noch anders lösen, indem du einfach die Windgeschwindigkeit mißt und unter einer bestimmten Windgeschwindigkeit die Erregung komplett abschaltest, dann entlädt sich die Batterie auch nicht (mal abgesehen von der Selbstentladung).

Hast du schon drüber nachgedacht, den elektrisch erregten Rotor durch einen mit Permanentmagneten zu ersetzen, dann fällt die Erregung komplett weg, allerdings auch die Regelmöglichkeit.
Eine Lösung könnte eine Art "Hybrid" sein, bei dem in der Erregerwicklung ein Magnet reingewickelt wird der schon ein Magnetfeld erzeugt, das dann durch die Erregung per Elektromagnet noch verstärkt wird wenn man mehr Leistung braucht. Dafür müßtest du deinen Rotor aber abwickeln, einen/mehrere Magnete rund um die Achse anbringen (so daß sie in der selben Richtung wie die Wicklung magnetisieren und darüber wieder die Wicklung draufwickeln.

[sombrero]

von sombrero.

Ja, eine Windmessung zu machen um den Einstieg in die Ladephase zu finden halte ich auch für eine gute Idee. (Eine Leitung extra legen nach unten, vielleicht eine geschirmte Leitung).
Und ein Anemometer muß her.
Die 2. Möglichkeit v. jb79 angestoßen, vollkommen mit Dauermagneten ohne Rotorwicklung wollte ich nicht. Aber dieses ergibt eine schöne einfache Schaltung. Aber dieser Arbeitsaufwand?
Die 3.Möglichkeit in die Statorwicklung oder die Rotorpole kleine Magneten einzubringen
um den Beginn der Ladephase festzustellen ist auch sehr gut. Auch hoher Aufwand. (fräsen,kleben richtige Polung).
Es braucht auch etwas mehr Elektronik.
Die Elektronik, das wäre der Vergleich Batteriespannung (Istspannung) mit Generatorspannung (Sollspannung). (Soll > Ist) Erregung Ein dann Ladung. g.
(Soll = Ist) Erregung Aus keine Ladung.
(Soll < Ist) Erregung Aus keine Ladung. Ein Operationsverstärker als Komparator kann das. In jedem Fall fließen die ewigen 3.5A x 1/10 = 0.35A nicht mehr bei Windstille.
Ich weiß gar nicht, ob diese 3.5A zuviel Strom als Erregung sind. Ob das Rotoreisen dabei längst in der Sättigung ist. Ich habe nicht die Möglichkeit das zu messen. Vielleicht weiß das jemand?
Ich möchte später sowieso eine getaktete Regelung schaffen. Sie soll auf die obere Ladespannung bezogen (ca 14.8V) den Rotorstrom abregeln vielleicht auf 50%.
Aber wo liegt die obere Ladespannung? Ist bekanntlich vom Zustand und vom Typ des Akkus abhängig. Und im Winter wieder anders als im Sommer.
Die letzte Frage noch von Bernd: Ob ich schon einen Ringkern bewickelt habe.... Nein....Wegen der großen Probleme mit der Montage der der Lagerschilde habe ich das noch nicht gemacht. Die sind doch für den Normalverbraucher kaum lösbar.
Gruß Peter sombrero.

[Bernd]

In diversen Quellen liest man als Leistungswert für die Vorerregung 40 bis 50 Watt.
Insofern solltest du mit deinen 3,5 A ziemlich gut liegen.

Grüsse

Bernd

[sombrero]

Somrero.

Eine Frage bitte, wo ist denn die Zeichnung zu (Ladeelektronik f kl. Windkraft Anlage geblieben)?
Falls sie verschütt gegangen schicke ich sie nochmal.

Gruß Sombrero

Klein-Windkraftanlage.jpg

[andreas]

Hallo Peter,

die Funktionsweise dieser Schaltung kann ich nicht nachvollziehen. Abgesehen davon, daß die Masse hier gar keine ist (sie hängt weder an Plus oder Minus von Generator oder Akku), sondern eine geschaltete Leitung der Feldwicklung, schließt der T1 mit Einschalten des Feldes die Versorgung der gesamten Steuerschaltung mit dem IC kurz. Insofern ist die Funktion, auf gewöhnliche Schaltungen mit einer dauerhaften Versorgung bezogen, sehr zweifelhaft. Ich möchte Dich bitten, Schaltung und realen Aufbau noch mal abzugleichen und ggf. zu korrigieren. Und, wenn möglich, mit einer diesbezüglich schlüssigen Beschreibung der Schaltung herüber zu kommen. Vielleicht ist Dir auch mal die eine oder andere Messung daran möglich, ggf. mit Oscar.

MfG. Andreas

[sombrero]

Hallo Andreas,
Ich wollte gerade anfangen meine Schaltung zu erklären. Aber da ist nichts zu erklären, es ist ja wirklich ein Denkfehhler darin. Schaltungen die sich selber abwürgen, perpetum mobile
oder unlogisdch oder unklar sind habe ich immer vermieden. Aber trotz langen kontrollierens und überdenkens habe ich nicht bemerkt daß T1 ja seine eigene Steuerung kurzschließt. Und
daß der Strom den 1000uF(40V) im Moment des schaltens von T1 liefert, theoretisch unendlich ist geht auch nicht. Das hält T1 nich lange aus. Um einen Optokoppler komme ich wohl nicht herum.
Wenn ich die Schaltung geändert habe sollte diese Ausgabe wieder heraus.

Peter Sombrero.

[sombrero]

Hallo Andreas,

Hier die Berichtigung meiner Schaltung. 1. 1. Fehler: Der Mos Fet T1 nahm seiner eigenen Steuerschaltung die Betriebsspannung. 2. Fehler: Im Schaltmoment von T1 entlädt 1000uF(40V) sich über T1. Sehr hoher und
kurzer Stromstoß. Das darf niemals sein. Sehr schlecht für T1. Dagegen der 1Ohm Widerstand.
Ich kann zu dieser Schaltung keine Meßergebnisse liefern, denn diese existiert bisher nur auf dem Papier. Die Mühle u. Elektronik die ich vor 10 Jahren in Hamburg baute, lief nach dem gleichen
Prinzip, hatte aber die damals zeitgemäßen Bauelemente z. B. einen pnp Darlington Mj 900 statt p-Kanal Mos Fet. Aber zu der Version habe ich auch keine Ergebnisse mehr parat.
Diese heutige berichtigte Ausgabe möchte ich jetzt noch mal kurz erklären. Denn das Potential wirr warr ist jetzt beigelegt. Es behinderte auch das verstehen der Schaltung.
Da denkt man u. denkt und schließlich fängt man an sich zu ärgern.
Ich gehe jetzt von der Situation aus, es weht kein Lüftchen und der Akku hat 12.5V:
Das bedeutet Klemme (1) ist 0V. Die gesamte Schaltung und Klemme (6) liegen an 12,5V. Alles bezogen auf gnd 0V Klemme (2,3,4).
Der Multivibrator legt alle 5sec für 0.5sec über D4--Ic--BC108C--T1 die Rotorwicklung mit Induktivität ca 0.68H und 3.3Ohm an 12.5V. Tau = 0.68H/3.3Ohm = 0.206sec. Nach 0.206sec sind
67% von Imax 3.5A erreicht ca 2.345A. Jedoch die Wicklung liegt 0.5sec an 12.5V. Es wird also mehr als 2.345A erreicht. Ich schätze 3A.
Dieser Zustand (0.5sec EIN, 5sec AUS), ist sozusagen ein probieren und versuchen, festzustellen ob Wind vorhanden ist, der an die Klemme (1) 13V bringt. Dafür wird der Rotor also
laufend für 0.5sec magnetisiert über Klemme(5). Alle 5sec.
Nun ist diese neue Situation da:
Wind ist da, 13V oder mehr liegen an Klemme (1). Aber Klemme (6) ist immer noch 12.5V.
Mos Fet T1 ist jetzt auch leitend über D3. Denn D3 und D4 sind eine ODER Verknüpfung und beide Dioden sind kurzzeitig auch gleichzeitig aktiv und halten T1 leitend.
Rotorwicklung ist nun voll und dauernd magnetisiert. Nun wird der Akku geladen mit ca. 8A - 3.5A ca 4.5A ca. 60W. Immerhin. Wer mehr Wind oder anderen Generator hat
kann vielmehr machen.
Flaut der Wind ab, sinken auch die 13V ab, T1 sperrt wieder. Selbstinduktionsspannung geht über Klemme (4,2)--Brückengleichrichter--Klemme (1)--Elko 1000uF(40V)--1Ohm--Klemme (5)
wieder zur Rotorwicklung.
Ich glaube jetzt ist es verständlich.

Peter Sombrero

THÖ neu.jpg

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