Simplicissimusschaltung von Alexander B.J. Kayser

[simplicissimus]

Hallo ihr Lieben... wünsche noch fix nen guten windreiches neues Jahr mit möglichst vielen neuen und klugen Einfällen...

War über die Feiertage nicht ganz faul und hab mich mal wieder in Pspice eingearbeitet und viele Gedanken über die Spannungsverdopplerschaltungen am Drehstromgenerator kreisen lassen...
Erst vorhin laß ich über die neue Schaltungsvariante von Cordopc und die damit verbundenen Simulationsproblemchen...
Wiederum sah ich ein Hauptproblem bei der Queranzapfung der Kondensatoren mittels einer Phase...
Des weiteren führten mich Jürgens Simulationsergebnisse zu dem Schluss, das sich die Kondensatoren über den gemeinsamen Pluspol einfach auch noch untereinander ausgleichen(meine alte Variante), was wiederum nicht im Sinne der Erfindung sein sollte.
Ich habe nunmehr nochmal eine neue Schaltung ausgedacht, wo nun ein jeder Stromweg festgeschrieben ist. Nachteil ist die relativ hohe Anzahl an Dioden. Unter Verwendung von Schottkys sind die Verlust allerdings im Gegensatz zu normalen unter der Verwendung einer B6 ähnlich. Selber simulieren konnte ich das nun auch und bekam ganz brauchbare Ergebnisse...
P-Last 130W bei 36V und 10 Ohm
C= 4700 µF
P-L1 77W U-L1 7V RMS bzw. 10VSpitze
Und wenn wir nun daran denken, daß wir statt ca 14 V U-Last bei der B6 Schaltung mit der Verdopplerschaltung in diesem Fall 36V an der gleichen Last liegen haben, ist es auch verständlich, das wir einen sehr hohen Stromverbrauch haben. Das nun gleich mal als Argument gegen einen scheinbar sehr hohen Stromverbrauch...
habe mal die Werte im Verhältnis zur B6 gesetzt - und siehe da - wir liegen nicht schlechter...
So nun noch fix das gute Stück, welches alle Halbwellen nutzt und keine Kondensatorquerausgleichsströme mehr aufweisen sollte...
Liebe Grüße

[simplicissimus]

So ...seit gestern früh gibt es nun die Simplicissimusschaltung 2010 als Hardware-Version nachdem ich die halbe Nacht den Lötkolben schwang...
Würde mal sagen das Ding funktioniert tatsächlich. Während ich bisher bei ner normalen B6 bei einer Rotordrehzahl von 1/s eine Leerlaufspannung von etwa 4V Gleichspannung als mein nennen konnte fließen mit Hilfe der Simplicissimusschaltung 2010 bei einer Rotordrehzahldrehzahl von 1/s bereits 1A in die 12V-Batterie ...
Werde morgen noch mal eine Umschaltmöglichkeit zwischen beiden Schaltungen ( B6 und die S...2010) realisieren um bessere Vergleiche machen zu können.
Achtung beim Nachbau!!!: Habe an den Ausgang der Simplicissimusschaltung einst erwähnte 22 in Reihe verschaltete Hochleistungsdioden als Spannungsbegrenzung gesetzt, welche einen maximalen Spannungswert von ca (22x0,7=) 15,4V zulassen. Alles darüber wird in den Dioden verbraten, die 60A abkönnen. Als ich diese Diodenreihe wegnahm sprang die Ausgangsspannung im Leerlauf(Rotordrehzahl nun etwa 3/s) auf über 38V.! Innerhalb dieser etwa halben Sekunde mal-Ausprobieren-Zeit hatte ich die Reihe schon wieder rangeklemmt aus Angst meine neuen Kondensatoren zu zerschießen, welche einzeln nur 35V abkönnen... Was ich damit sagen will: Achtung wir kommen schnell in Leerlaufgleichspannungsbereiche die gefährlich werden können...
Noch ne kleine Anmerkung bezüglich der Begrenzungsdioden: Durch diese Verschaltung ist es möglich die ganze Schaltung ohne Lastabnahme zu betreiben, ohne das der Rotor leer dreht. Dadurch ist es des weiteren möglich nun einen Laderegler zu nutzen, der das Windrad nicht kurzschließt sondern von der Batterie einfach nur wegschaltet. Vorteil: preisgünstiger da Serienregler? genutzt werden können, die die Leistung im Gegensatz zu Shuntreglern nicht intern verrbaten müssen und sich somit nicht unnötig aufheizen, bzw Probleme bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten bekommen könnten. Schönes WE euch und würde mich mal wieder über ein kleines Feedback freuen oder hat es euch die Sprache schon bei den simulierten Werten verschlagen?

[CAD&Co]

Herzlichen Glückwunsch!
Die Ergebnisse hören sich ja nicht schlecht an.

Zudem verbraten der höheren Spannung hätte ich eventuell eine Idee.
Je nach Volt Zahl müssten mehrere Akkus in Reihe geschaltet werden.
Das heißt, je nach Abfrage der Spannung, in 1,5 V Schritten einen weiteren Akku in Reihe dazu schalten.

Bei Lithiumakkus wird eine Balancing-System verwendet, um die einzelnen Zellen untereinander
auf gleicher Spannung zu halten.

Verwendet man nun diese in Reihe geschalteten Akkus nur als Pufferakkus, kann man damit, über eine
geeignete Schaltung, einen 12 V Akku laden.

Theoretisch könnte das klappen, ob sich so etwas technisch wirklich umsetzen lässt ist noch die Frage.
Als neue Herausforderung kannst Du ja mal über diese Idee nachdenken.

[Bernd]

Hallo Alexander
solltest du doch noch das Ei des Kolumbus gefunden haben ?
So wie ich das sehe ist es ein Verdreifacher was im Nachhinein auch irgendwie logischer erscheint
bei 3 Phasen. Vielleicht war ja das immer unser Gedankenfehler, "nur" verdoppeln zu wollen.
Ich sehe allerdings auch 3x soviel Dioden wie in einem B6 Gleichrichter.

Wenn du den Generator im Leerlauf drehst mit einer Drehzahl unterhalb 15 Volt, dann dürfte
es jetzt zu keiner Leistungsaufnahme der Schaltung mehr kommen ?

Verdreifachen wäre für viele Anwendungen fast noch besser als Verdoppeln, allerdings steigen
natürlich auch die Verluste um diesen Faktor an, denn die Ströme verdreifachen sich im Generator
ja auch. Ich glaube ich werde das Ding mal ausprobieren, wenn ich mir genügend Dioden gekauft habe.

Grüsse

Bernd

[simplicissimus]

Hallo Bernd... Also es würde mich freuen dieses gewisse Ei gefunden zu haben - und irgendwie sieht derzeit alles danach aus... ... und das macht mich sehr glücklich...
noch mal kurz zu den hohen Strömen bzw Verlusten: Im Gegensatz zur B6 muß der Strom einer Phase durch 4 anstatt bisher zwei Dioden. Dies ist sicher ein Kompromiß eines erhöhten Verlustes - mit dem ich allerdings echt leben kann. Daß es nun eine Verdreifacherschaltung geworden ist, hatte ich vorher gar nicht geahnt und ist mir sogar noch immer ein bißchen unklar(denn selbst drei parallel geschaltete Spannungsquellen machen eigentlich keine dreifache Spannung)- macht mich aber um so erfreuter.
Gehen wir mal von einer dreifach höheren Spannung aus als bei der B6 erhöht sich der Strom über einen einfachen ohmschen Widerstand auch um den Faktor drei. Somit wird über den gleichen Widerstand die neunfache! Leistung umgesetzt...
(1 Ohm 1V 1A macht 1Watt.... 1Ohm 3V 3A macht 9Watt) - dies geschieht alles nach der B6 bzw. Simplicissimus2010...
Da sich allerdings im betrachteten Gedankenexperiment die Eingangsspannung des Generators nicht ändert muß ein sogar neunfacher Generatorstrom fließen um die Leistung von nun 9W umzusetzen... Ein derart neunfacher Strom im Vergleich zur B6 ist also total normal und kein Ausschlußkriterium...Wie es sich mit den tatsächlichen Verlustleistungen verhält werde ich demnächst mal ausmessen.
Noch kurz zu dem Beitrag die verbraten Leistung in Lithium-akkus zwischenzuspeichern: Diese Akkuvariante ist zwar eine einerseits sehr schöne, da eine hohe Energiepackungsdichte möglich ist, jedoch muß ich zugeben, daß mich die Gefährlichkeit dieser Akkus davon abschreckt sie selber in Gebrauch zu nehmen... Verbraten wird die Restleistung ja auch nur dann, wenn der Hauptakku schon voll ist, was als solches ja nicht sooooo häufig der Fall ist...

Ansonsten erstmal noch ein schönes Wochenende allen Windradbastlern...

[Bernd]

Was die Verluste angeht, das sehe ich so.
Es wird ja "nur" die Spannung verdreifacht, die Leistung bleibt gleich.
Das heisst der Strom verdreifacht sich, die Spannung sinkt entsprechend oder anders
ausgedrückt im Generator fliesst für die gleiche Leistung der dreifache Strom.

Der dreifache Strom führt zum dreifachen Spannungsabfall am Innenwiderstand.
Dreifacher Spannungsabfall mal dreifacher Strom ergibt, wie du schon geschrieben hast,
die neunfache Verlustleistung.... schluck.

Man sieht also das man den Generator eigentlich vergewaltigt und das sich die Schaltung bei
höherer Drehzahl unbedingt wieder deaktivieren sollte.

Ganz nebenbei ist durch den dreifachen Strom auch nur 1/3 der maximalen Leistung
aus dem Generator zu holen, denn dessen max. Leistung ist massgeblich durch den Strom begrenzt.
Aber diese Pillen muss man schlucken und das würde ich auch in Kauf nehmen, denn so eine
Schaltung soll ja nur den Ladebeginn nach unten drücken und nicht Spitzenleistungen erzeugen.

Grüsse

Bernd

[simplicissimus]

Na hallo Bernd... habe nochmals meinen Simulator gequält und folgendes herausbekommen: Es ist sogar möglich die Schaltung mit insgesamt "nur" 12 Dioden zu betreiben, indem man D2, D3, D6, D8, D9 und D12 wegläßt. Daraus ergibt sich dann allerdings der Nachteil, daß über die restlichen Dioden D1-D11 ein vielfach höherer Strom fließt. Die Werte am Lastwiderstand sowie die Eingangswerte der Schaltung bleiben gleich.
Des weiteren habe ich mal die Spannungswerte der Spannungsquellen verändert, damit wir etwas realistischere Werte erhalten:
U,max einer jeden einzelnen Quelle: 8,16 Volt ... Mittelwert einer jeden Quelle: 5,77V
somit ergeben sich folgende Werte für einen gedachten Generator in Dreieckschaltung:
U,max L1-L2: 14,66V ... U Mittelwert L1-L2: 9,9V Ungenauigkeiten bezüglich des Faktors Wurzel2 ergeben sich durch die Widerstände R1-R6.
Die Kondensatoren und Lastwiderstandswerte ließ ich gleich.
Eine B6 liefert am Lastwiderstand 10Ohm folgendes: U= 11,42 Volt ... I= 1,15A ... P= 13,1W ...
P Generator= U*I*Wurzel3= 9,9V*1,34A*1,73=ca 23W (Leistung müßte eigentlich richtig bestimmt sein...)
Somit ergibt sich ein Wirkungsgrad der B6 ohne Berücksichtigung von Generatorverlusten von kläglichen 56% ... Solch schlechte Werte ergeben sich aus den sehr niedrigen Eingangsspannungswerten und den damit verbunden relativ hohen Spannungsverlusten an den Dioden...
Die Simplicissimus2010 ergab an 10Ohm folgendes: U= 28,61V ... I= 2,89A ... P= 81,86W
P Generator= U*I*Wurzel3= 9,9V*7,58A*1,73=ca 131W
Somit ergibt sich en Wirkungsgrad der Simplicissimus2010von 62%

P Si2010 / P B6 = 5,64 ... I Si2010 / I B6 = 5,64 ... U Si2010 / U B6 = 2,5
(Alle aufgeführten Werte beziehen sich auf eine Festspannungsquelle(kein realer Generator) und einen Lastwiderstand von 10Ohm)
Jetzt brauch ich ne Pause ...


!!!!!!!ACHTUNG...Im Thread über den Spannungsverlust bei Drehstromgleichrichtung stellte ich etwas später eine Unregelmäßigkeit bei der RMS-Routine von Pspice fest, worauf sich die eben aufgeführten Wirkungsgradberechnungen stützen...ACHTUNG!!!!!!

[jb79]

Eine höhere Spannung läßt sich mit einem Step-Down Converter (DC/DC Wandler) recht einfach auf eine niedrigere Spannung bringen, außerdem steigt dort auch der Ausgangsstrom.

Hab mal versucht, das Ganze so zu simulieren, daß der Ausgangsstrom einer B6 Brücke und der neuen Schaltung gleich sind. Dafür hab ich den Lastwiderstand der neuen Schaltung so lange durch Probieren angepaßt bis die Ströme durch beide Lastwiderstände in etwa gleich waren.
Dabei ist dann rausgekommen, daß man bei 10 Ohm an der B6 Brücke ca. 22,78 Ohm an der neuen Schaltung braucht. Die Ausgangsleistung ist auch um diesen Faktor höher - allerdings muß man auch auf die Eingangsströme achten, hier kommt man bei der neuen Schaltung auf ca. 4A Durchschnitt auf einer Phase während beim B6 Gleichrichter nur etwa 1,5A durchschnittlich anliegen. Diese beiden Werte geben ein Verhältnis von 2,67:1, somit verbrät die neue Schaltung wenn sie um 2,278:1 mal mehr Spannung/Leistung liefert mehr Strom. Wenn man es rausrechnet kommen 15% weniger Leistung raus als bei einer vergleichbaren B6 Gleichrichterbrücke.
Allerdings ist die höhere Spannung ein enormer Vorteil, bei geringeren Lasten (hab den Leerlauf mal mit 10k simuliert) kommt man mit der B6 Brücke in meiner Simulation 15,97V, mit der neuen Schaltung aber sogar 48,84V, das ist 3-fache der B6 Gleichrichterbrücke!!!
Bei 50Ohm Last liegt die neue Schaltung immer noch hauchdünn über 40V, die B6 Brücke bei ca. 15V. Außerdem ist bei der B6 Brücke die Welligkeit der Ausgangsspannung viel höher.
Halte die Spannung sehr geeignet für die Erhöhung der Spannung bei kleineren Drehzahlen, man sollte sich allerdings Gedanken machen, wie man bei größeren Drehzahlen eine Umschaltung auf eine B6 Brücke mit entsprechend dicken Dioden vornehmen kann, damit die Verluste im Bereich größerer Windstärken verkleinert werden können.

Eingangsströme im Vergleich (die Ausgangsströme sind hier die praktisch geraden Linien in gelb und grün

B6 und neue Schaltung wieder im Vergleich

[andreas]

Hallo Jürgen,

ist die von Dir dargestellte Schaltung direkt aus dem Simulator geholt? Funktionieren dürfte sie so nicht, da sie zwei Kurzschlüsse der Phasen 1 und 2 zwischen den Dioden D2, 3, 8 und 9 enthält.

MfG. Andreas

[jb79]

Sorry. Der Kurzschluß ist erst passiert, als ich die Schaltung zusammengeschoben habe damit man auf dem Bild noch bei 800 Pixel Breite was erkennen kann.
Hab die aktuelle Version hochgeladen.