Prüfstand für Generatoren

Prüfstand für Generatoren

Beitragvon Köpke » Mi 13. Mai 2015, 19:05

Hallo Leute,

ich hatte ja in meinem Thread zum Thema "http://www.daswindrad.de/forum/viewtopic.php?f=27&t=2158" schon angekündigt im nächten Schritt einen Prüfstand aufzubauen. Ziel ist den Generator zuerst einmal zu vermessen, also:
  • Anlaufmoment
  • Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
  • Leistung-Drehzahl-Kennlinie

zu ermitteln, um dann den Rotor (Savonius) entsprechend auszulegen. So daß er die Windverhältnisse bei mir optimal ausnutzt und den Generator gleichzeitig optimal antreibt. Die Bestellung für wesentliche Teile (Drehzahlmessung für den Generator, Drehzahlregelung für den antreibenden Motor, ...) ist raus aber ich hatte Zeit (sehr ungewöhnlich) und bin in die Werkstatt um einen "Prüfstand-Prototypen" zu bauen.
Der antreibende Motor ist ein alter Spaltpolmotor (also elektrotechnisch eine Asynchronmschine mit zwei Polpaaren und einem Kurzschlusskäfigläufer) an 230V. Der Generator ist ein Nabendynamo (Klauenpolgenerator 6V/3W).
Die Riemenscheibe ist aus einem mittig auf die Achse des Motors gesetzten Abflussrohrdeckel und der Keilriemen ein 2-Zoll-Fahrradschlauch (leicht aufgepumpt).

Die Freude war groß als diese "Wurschtelei" tatsächlich funktionierte. :D

Ich habe bei der Gelegenheit auch gleich die Spannung des Nabendynamos oszilloskopiert: Sie ist schon einer Sinusspannung ähnlich, aber ebend nur ähnlich. Jetzt werde ich mal überlegen, ob ich diese Kurvenform bei der Messung von Strom und Spannung (Effektivwerte also Formfaktor bei Sinus = 1,11) berücksichtigen muss.

Für die Messung der Drehmomente möchte ich noch einen Bremszaum bauen, aber das kommt nach der Messung der elektrischen Kennlinien. Jetzt warte ich mit Spannung auf die Lieferung und die nächste freie Zeit - dann geht es los...

Windige Grüße
Siegfried
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Re: Prüfstand für Generatoren

Beitragvon Köpke » Mo 25. Mai 2015, 08:30

Hallo Leute,

inzwischen bin ich wieder einen kleinen Schritt weiter bei meinem Prüfstandsaufbau. Die Drehzahl des Spaltpolmotors liegt bei f=50Hz und einer Poolparzahl p=2 bei n=1500 1/min. Gemessen habe ich im Leerlauf n'= 1480 1/min. Mit meiner Drehzahlregelung kann ich die Drehzahl vom gemessenen Wert auf ca. 50% reduzieren. Dann wird das Erregerfeld so schwach, das der Motor auslauft und stehen bleibt.

Erste Erfahrung:
Der Spaltpolmotor eigenet sich aufgrund schlechter Regeleigenschaften nicht gut für die Aufgabe. Ausserdem sollte die Polpaarzahl mindestens p=4 oder größer sein, ansonsten passen die Drehzahlbereiche Motor und Dynamo ohne Übersetzung kaum zusammen.
Ein ordentlicher Drehstrommotor oder eine Gleichstrommaschine wären eine schöne Alternative.

Ich versuche es trotzdem:
Bei http://fahrradzukunft.de/1/wirkungsweis ... maschinen/ kann man schön erkennen in welchem Geschwindigkeitsbereich der Nabendynamo seine Nennspannung von U=6V erreicht: Ab einer Fahrgeschwindigkeit von v=20km/h. Bei einem Das entspricht einer Drehzahl von n_Dyn= 150 1/min. Ich brauche also an meinem Prüfstand eine Übersetzung von ü= 1/10.

Also habe ich inzwischen angefangen mir die entsprechenden Riemenscheiben herzustellen. Wenn der ANtrieb läuft werde ich wieder ein paar Bilder posten.

P.S.: Es kündigt sich ja jetzt schon an, dass es ohne Getriebe nicht leicht wird den NAbendynamo mit dem Savonius-Rotor zu verbinden. Ich stelle mir einen Zahnrad- oder Zahnriemenantrieb vor. Kennt ihr eine Bezugsquelle für entsprechende Teile? :?:

Windige Grüße
Siegfried
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Re: Prüfstand für Generatoren

Beitragvon Bernd » Mo 25. Mai 2015, 11:22

Hallo Siegfried.
Viele Mechanikteile als aus Zahnriemenscheiben estc. gibts bei www.Maedler.de


Grüße

Bernd
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Re: Prüfstand für Generatoren

Beitragvon Köpke » Mo 15. Jun 2015, 19:06

Hallo Leute,

wieder bin ich einen Schritt weiter: Die erste Idee zum Antreiben des Nabendynamos war noch ein Riementrieb. Dann bin ich auf die Idee des Reibrades gekommen. Dazu habe ich ein Laufrad (D1=8,9cm) aus einem Inline-Skater verwendet. Das passt zufällig genau auf die Antriebsachse meines Motors. Das Gegenstück (D2=50cm) habe ich mit einer Oberfräse aus einer alten Tischplatte gefräst. Das ergibt eine Untersetzung von 5,6. Weniger als geplant, ich wollte ursprünglich eine Untersetzung von ü=10 aufbauen. Jetzt sind die Kennlinienaufnahmen nach oben, zu hohen Geschwindigkeiten begrenzt. Im Bild unten wird der Nabendynamo durch das große Holzrad verdeckt.

Die Drehzahlregelung ist auch nicht ganz so toll wie gedacht. im mittleren Bereich, bei ca. 150 (1/min) befinde ich mich im instabilen Arbeitsbereich, dort kann ich nur sehr schwer eine stabile Drehzahl einstellen.

Ansonsten funktioniert der Prüfstand. Drehzahlmesser ist vorhanden, Meine Ausstattun mit Messgeräten könnte besser sein - da muss ich nochmal ran. Trotzdem habe ich schon die ersten Messreihen aufgenommen. Die werte ich jetzt aus und zeige dann hier wieder die entsprechenden Ergebnisse.

P.S.: Inzwischen hat sich zu dem ganzen Projekt eine Menge an Material (Texte, Bilder, kleine Videos) angesammelt, so dass ich überlege, damit einen blog auf meiner meiner Domaine bei Strato zu starten. Da weiß ich nur noch nicht welche Software man daür verwendet.

Windige Grüße
Siegfried
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Re: Prüfstand für Generatoren

Beitragvon Ekofun » Di 16. Jun 2015, 14:19

Hallo Köpke,

wenn Sie wollen ein Geni bauen der bei 150 U/min seine Nennspanung gibt bei eine Frequenz von 50 Hz dann braucht Geni 20 Polen.Also 10 Vollpole.Und er braucht dann wenig Windungen kommt es auf Flußdichte in Luftspalt an.Und ob er Drehstrom oder mono Geni ist.(3 oder eine Fase hat).

Grüße

Ekofun
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Re: Prüfstand für Generatoren

Beitragvon Köpke » So 21. Jun 2015, 17:31

Hallo Ekofun,

jetzt für dieses Projekt nehme ich einen fertigen Generator (Möglicherweise baue ich eine eigenen, wenn ich mit diesen Savonius fertig bin. Mal abwarten).

Mein aktueller Plan sieht so aus:

Ich möchte einen Savonius konstruieren, der an die Windverhältnisse auf meinem Grundstück angepasst ist. Zusätzliche Bedingung: Der Generator (Nabendynamo) steht schon fest. Die Umsetzung habe ich mir so vorgestellt:

Messung der Windverhältnisse auf meinem Grundstück. Das passiert bereits und darüber habe ich in meinem anderen Thread ja auch schon berichtet. Inzwischen habe ich ca. 5 Monate Daten gesammelt und kann eine erste Abschätzung angeben: Mittlere Windgeschwindigkeit bei ca. v=3m/s. Die Windgeschwindigkeitsverteilung ist natürlich auch wichtig. Die „a-“ und „k-“ Parameter für diese Verteilung muss ich mir noch errechnen, dann kann ich die Verteilung auf meinem Grundstück analytisch beschreiben.

Messung der Leistungs-Drehzahlkennlinie meines Nabendynamos. Das habe ich vor kurzem erledigt (war nicht ganz einfach, weil mein Prüfstand nicht so präzise funktioniert wie ich es gerne hätte). Aber die Messpunkte stimmen trotzdem ziemlich genau mit der aus dem Ersatzschaldbild abgeleiteten theoretischen Funktion für die Leistung überein (dazu muss ich wohl noch einen Extra-Bericht schreiben.

Mit diesen Informationen kann ich nun bestimmen, welche Querschnittsfläche und welchen Rotordurchmesser ich benötige, um so viel Energie wie möglich zu „ernten“. Wenn der Rotor endlich auf dem Mast steht werde ich wieder Windgeschwindigkeit, Drehzahl, Strom und Spannung messen um zu prüfen, ob der Savonius in der Praxis den theoretischen Vorgaben entspricht.

P.S.: Die Grafik gibt die Umfangsgeschwindigkeit eines hypothetischen Rotors bei einer Schnelllaufzahl = 1 und einem Durchmesser von 66cm an. Das hat nur praktische Gründe. Die Darstellung sieht bei einer Angabe der Leistung bezogen auf Drehzahl des Generators nicht anders aus. Der Lastwiderstand Ra=12 Ohm stellt die maximale Anschlußleistung von 3 Watt dar, das entspricht den beiden typischen Glühbirnen der Fahrradbeleuchtung.

Also noch einiges zu tun...

Windige Grüße
Siegfried
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Re: Prüfstand für Generatoren

Beitragvon Köpke » Mi 24. Jun 2015, 20:42

Hallo zusammen,
ganz schnell einen kleinen Zwischenstand: Ich habe meine Funktion nochmals gerechnet. Diesmal habe ich die Methode "kleinste Quadrate" angewendet - und selber gerechnet, statt Excel zu glauben. Und: Ein etwas besseres Ergebnis erhalten (siehe Bild). In der Formel steht V1/2 und V jeweils für die Drehzahl. v entspricht der Drehzahl in 1/min.

Damit kann ich jetzt die Leistung bezogen auf die Drehzahl analytisch beschreiben.

Windige Grüße
Siegfried
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Re: Prüfstand für Generatoren

Beitragvon Köpke » Sa 11. Jul 2015, 11:16

Moin Leute,

inzwischen bin ich wieder ein Stück weiter. Zuletzt habe ich die elektrische Leistungskurve meines Generators aufgenommen und diese mit einer Gleichung (Quelle für Dynamobeschreibung: viewtopic.php?f=24&t=2144) beschrieben. Nun habe ich auch den restlichen Triebstrang "Savonius-Rotor -> Getriebe -> Generator" in einer Tabellenkalkulation (siehe Anlage) aufgebaut. Wenn ich nun "vorne" in der Tabelle eine Windgeschwindigkeit eingebe, ergibt sich "hinten" die (zumindest theoretisch) zu erwartende Leistung - auf GRundlage verschiedener Annahmen, wie z.B. der Wirkugsgrade von Rotor, Getriebe, Generator, Schnelllaufzahl, u.s.w.

Auch unter optimistischen Annahmen hat die gesamte Anlage einen Wirkungsgrad von ca. 10 %. Ich muss also 30 Watt Wind einfangen um 3 Watt elektrische Leistung zu erhalten. Entsprechend groß ist der Savonius.

Als nächstes will in die Tabelle mit meinen bisher gesammelten Messdaten der Windgeschwindigkeit verknüpfen um die Parameter (Rotordurchmesser, Getriebeübersetzung, ...) zu ermittln, bei denen die Energieausbeute maximal wird. Und dann wird der Sanvonius gebaut und vermessen. Mal sehen wie genau die Theorie sich dann in der Praxis bestätigt...

Viel Spass mit der Tabelle und windige Grüße
Siegfried
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