Wechselstrom PM Generator für Wasserkraft

Hi liebes Forum,

eine kleine Ewigkeit ist vergangen, seitdem ich mich das letzte mal gemeldet habe.

Ich habe mal letztes Jahr über unsere Windräder in Kamerun geschrieben, die wir mit unserem Verein (www.green-step.org) errichtet haben.

Unsere Windräder in Afrika funktionieren im Moment alle soweit. Wie immer macht aber die Elektronik und die Batterien Schwierigkeiten. Aber dafür haben wir ja unsere Handwerker vor Ort, die mittlerweile auch komplette Wechselrichter bis 1 KW selbst bauen können (mit einem Gefrierschankkompress, übrigens) Tolle Sache also.

Derzeit arbeiten wir an unseren Wasserturbinen. Auch die haben die Elektrik und vor allem Batterie Probleme. Außerdem benutzen wir alte Autolichtmaschinen, deren Bürsten nach einem halben Jahr kaputt gehen, wodurch die Turbine lange steht und die Batterie tiefentladen wird...

Also haben wir einen 4 Magnete, 3 Spulen Scheibengenerator eingebaut. Das Ding lief, aber die Vibrationen waren die Hölle. Lag wohl an den schlecht platzierten Spulen und dem Eisenkernen, die wir eingebaut haben.

Jetzt wollen wir einen Schritt weiter gehen und eine kleine Turbine bauen, die einen kompletten Permanentmagnetgenerator hat, der direkt 220V und 50Hz Wechselstrom erzeugt. Und da kommt Ihr ins Spiel:

Wie sieht ein Scheibenläufer aus, der 220 V und 50 Hz bei X U/min macht?
Wieviele Magnete, Wicklungen und evtl auch Eisen kann ich einbauen?
Hält das Polyesterharz überhaupt die hohen Umdrehungen einer Wasserturbine stand?
Und ich brauche einen so genannten ELC Electronic Load Controller, d.h. Einen Kasten, der dafür sorgt, dass egal welche Last an der Turbine sorgt immer 220V anliegt, in dem er einen Tachsieder zuschaltet. Solche Geräte gibt es, kosten in China keine 5€ und haben komischerweise immer einen Gleichtichter und Trafo...

Wenn jemand Interesse daran hat, kann ich ihm auch gerne mal eine Präsentation unserer bisherigen Technik schicken, und wohin die Reise gehen soll.

Viele Grüße

Johannes

HI XXLRay,

Volltreffer, derzeit ist unsere Turbine die Firefly turbine.

Das Toll zur Generatorberechnung geht in die richtige Richtung. Jetzt fehlt da nur noch eine Möglichkeit Wechselstrom direkt zu berechnen (also der aus der Steckdose) mit einer festen Frequenz.

Die Turbine kann unter Umständen auch 1500 U/min haben, daher hab ich Angst, wegen Vibrationen.

ICh versuch Dir mal eine Präsentation zu schicken.

Vielen Dank

JOhannes

Die erzeugte Frequenz ist abhängig von der Anzahl der verwendeten Magnet/Spulen Kombinationen.
In der Regel erhält man eine Frequenz pro Generatorumdrehung die halb so hoch ist wie die Anzahl
der eingesetzten Polpaare. Beispiel:

Häufig werden Scheibengeneratoren mit 12 Magneten pro Magnetscheibe, also zusammen 24 Magneten
und 9 Spulen gefertigt. Dieser Scheibengenerator hat dann 12 Polpaare und erzeugt pro Umdrehung
6 Hz Drehstrom. Bei 500 U/min würde er ca. 50Hz abgeben.

Die "Vibrationen" entstehen in einem normalen Generator nicht nur dadurch das Magnete an Eisen vorbei
gleiten sondern auch durch die Stromerzeugung selbst. So würde ein eisenloser 1 Phasengenerator ohne
Last noch völlig vibrationsfrei arbeiten, bei Zuschalten einer Last dann aber heftig brummen und vibrieren.

Für die Stromerzeugung muss ich einen Generator mechanische Leistung zuführen.
Diese mechanische Leistung wird nicht kontinuierlich in elektrische Energie verwandelt sondern die
Umwandlung der mechanischen Leistung folgt dem Verlauf der Spannungkurve.

Das führt bei 1 Phasen Generatoren zu einem sehr ruckeligen Lauf und das ist auch der Grund warum man
in aller Regel Drehstromgeneratoren einsetzt. Hier überlagert sich nämlich der "ruckelige Lauf" der einzelnen
Phasen zu einem mehr oder minder vibrationsarmen Gesamtergebnis.
Noch schlimmer ist es bei 1 Phasen Generatoren mit eisernem Aufbau. Diese rasten schon ohne Last stark.

Wer also aus welchen Gründen auch immer (meist ist es die Geräuschemission) auf einen vibrationsarmen
Lauf angewiesen ist kommt um Drehstrom nicht herum.


Eugen

Für Generatoren: Spannungsfrequenz = Drehfrequenz * Polpaare


Geht auch, hat aber einen deutlich geringeren Wirkungsgrad. Was definitv funktioniert ist eine mitdrehende Eisenscheibe ohne Magnete.


Vereinfacht ausgedrückt, ja. es gibt natürlich Grenzfälle bei niedriger Last oder extrem hohen Frequenzen, für das so nicht ganz zutrifft. Besonders schlimm ist es halt, wenn du eine Resonanzfrequenz erwischst.


Nein, das ist so nicht ganz richtig. Du kannst 400V Drehstrom erzeugen und hast dann im Stern drei einzelne Phasen mit jeweils 230V. Die solltest du aber möglichst gleichmäßig belasten.


Wenn Polyesterharz das nicht mitmacht, wird wohl auch anderes Material schlappmachen. Es ist halt schwierig, die Stärke der Vibrationen nur vom Hörensagen zu beurteilen.


Am besten verwendest du Transformatorenbleche um die Magnetisierungshysterese gering zu halten. Das sind von einander isolierte Bleche, die zu einem Paket verklebt werden.

Ich habe mir jetzt mal die Bilder vom Bau eures Generators angesehen. es gibt mehrere Dinge, die mir aufgefallen sind. Ein paar hast du selbst schon angesprochen.

1. Ihr habt die Magnete längs zur Laufrichtung montiert. Nur Feldlinien, die einen Leiter quer schneiden induzieren eine Spannung. Optimal ist also ein Schnittwinkel von 90°. Vereinfacht gesagt ist nur die Seite es Magneten wirksam, die im 90°-Winkel zur Laufrichtung liegt. Ihr würdet also fast die gleichen Ergebnisse erhalten, wenn ihr quadratische Magnete mit den Maßen der schmaleren Kante verwenden würdet (wenn man die fehlende Masse mal ignoriert) und günstiger sein.

2. Die Spulen könnten sicherlich akurater ausgerichtet sein.

3. Ihr habe mehrere Blechpakete als Ringe über alle Spulen gelegt. Ich denke, ihr müsstet Bleche nehmen, die quer zur Laufrichtung voneinander isoliert sind. Da bin ich aber nicht ganz sicher.

4. Statt des Eisenrings und um weniger Eiden in den Spulen verwenden zu können, könntet ihr eine mitlaufende Gegenscheibe ohne Magnete verwenden. Diese verstärkt den Magnetischen Rückfluss.

5. Ist der Anker gut ausgewuchtet? Auf den Bildern sieht er etwas schief aus. Das kann aber täsuchen.

Ich denke, wenn ihr mehr Pole verwendet, die Magnete quer zu Laufrichtung anlegt, und eine Gegenscheibe verwendet, habt ihr einen ruhigeren Lauf und könnt kleinere (günstigere) Magnete verwenden.

Wenn ich mich mit meiner Formel nicht vertan habe, bräuchtest du bei sechs Spulen (und acht Magneten) Für 50 Hz Stromfrequenz eine Drehfrequenz von 50 Hz / (Spulenanzahl * 2/3) = (50 * 3) / (6 * 2) = 12,5 Hz = 0,08 1/s = 1,2 Upm. Also ist wohl eine Untersetzung nötig.

HI XXLRay,

danke für Deine Analyse. Ich denke, das wäre kein Problem deine Anmerkungen umzusetzen. Ich bin Dir auch dankbar dafür, dass Du die Blechpakete gegen eine Eisenscheibe austauschen würdest. Das erspart wahnsinnig viel Arbeit.

Stimmt Deine Rechnung mit dem 2/3 Faktor auch für einen Scheibengenerator, der direckt einphasigen Wechselstrom erzeugt?

Wenn ja, dann lass mich mal Deine Rechnung selbst probieren:

Ich habe eine Magnetscheibe mit Y Magnete, also Y/2 Polpaare. Die andere Scheibe ist nur eine einfache Eisenscheibe, die mitläuft.

Im Stator sind auch Y Spulen mit X Windungen

Mein Wasserrad dreht mit 400 U/min, was 6,67Hz entspricht

Ich brauche 50Hz

Spulenzahl = 50Hz / (6,67Hz * 2/3) = 11,36

Das heißt, dass ich bei 11 Spulen etwas mehr als 400 U/min schaffen muss, damit ich meine Netzfrequenz schaffe, richtig?

Wenn ja, wer sagt mir wieviele Windungen eine der Spulen braucht damit ich bei 400U/min 230Volt schaffe und wie ich die Spulen verschalte?

DAnke

Moin moin,

Ich möchte auch mal meinen Senf dazugeben



Das leuchtet mir nicht ein, wieso sollte Sternschaltung besser sein als Dreieck...?


Asonsten finde ich die hier angesprochenen Lösungen alle etwas/sehr kompliziert. Das geht auch deutlich einfacher wie ich meine.
Ich bin mir bewusst dass es auch darum geht möglichst viele Teile selbst herstellen zu können aber hier wird ohnehin etwas komplexere Elektronik benötigt und ich schlage daher folgendes vor:

Das Wasserrad wird auch nicht imer GENAU mit der geplanten Drehzahl arbeiten. Schwankungen in der Frequenz bzw. Spanungen, wenn auch klein, sind also vorprogrammiert.

Ich würde vielleicht mit den Billignetzeinspeisern von Ebay England ( es sind Einspeisewechselrichter, keine Spannungswandler wie man es bei dem Preis erwarten würde...) arbeiten zu denen auch hier im Forum schon Beiträge geschrieben wurden.
Es gibt sie ab umgerechnet 80 Euro (400 Watt) und in verschiedenen Spannugen (12-25V, 24-59V...)

Meiner Meinung nach ist es die einfachste Lösung wenn ihr die gleichen generatoren verwenden könnt die auch bei euren WIndkraftanlagen zum EInsatz kommen, ggf. mit leicht abgewandelter Wicklung und weiterhin dreiphasig.

Diese Inverter haben einen MPPT verbaut und liefern somit quasi automatisch die beste Leistung des Wasserrades bzw. passen sich daran an. Bei Wasserkraft sind ähnlich wie bei Solar auch keine großen Spannungs- und Leistungsschwankungen zu erwarten so dass der MPPT auch sehr gut arbeiten kann. Was hinten rauskommt ist genau das was ihr wollt: 220/110 V Normalostrom. Das Gerät hat auch alle Sicherheitsfeatures die man braucht, bis eben auf die ENS aber ich glaube da schreit da unten bei euch auch keiner nach

Letztlich hätte man eine einfache sich selbst anpassende Lösung die einfach und kostengünstig ist.

Gruß
Max

Verstehe ich noch immer nicht

Sicherlich brauche ich bei Dreieck mehr Windungen, ich kann dann ja aber auch einfach dünneren Draht nehmen so dass am Ende wieder das gleiche herauskommt (sowohl bei Spannung, als auch bei Widerstand). Letztlich kann man das drehen und wenden wie man will, man kommt zum gleichen Ergebnis auf unterschiedlichen Wegen.

Sternschaltung wäre davon mal abgeseen aber auch mein Favorit, da man mit dickerem Draht wickelt, der sich deutlich einfacher verarbeiten lässt und zudem günstiger ist....

Gruß
Max

HI Leute besten Dank.

So wie ich es sehe, ist die theoretische Berechnung beim Bau eines Einphasengenerators das komplizierte, aber nicht die praktische Umrechnung (ich muß ja noch nicht mal das 4/3 Verhältnis beachten:-)

@ Max
Danke auch für den Tipp mit dem Wechselrichter, die muß ich mir wirklich mal für andere Projekte anschauen. Völlig richtig ist aber, dass der Preis das entscheidende Kriterium ist. Die ganze Turbine soll 100€ kosten, da sind 80€ für einen Wechselrichter einfach zu viel.

Was Deine Sorge mit der Drehzahl und der Frequenz angeht, hast Du auch völlig recht. Sie wird schwanken. Und zwar anständig. Denn bei den von uns verwendeten Turbinen schwankt die Drehzahl zwischen Vollast und Leerlauf um den Faktor 2. Daher brauchen wir einen kleine Überwachungseinheit; einen sogenannten ELC electronic load controller. Der überwacht den Strom und schaltet dann stufenweise einen Heizwiderstand zu. Das Ding ist in Vietnam Massenware für unter € 10. Leider hab ich keinen Schaltplan für einen kleinen, sondern nur für Genereatoren über 1KW (sind etwas teurer) Daher suche ich auch hier jemanden, der sich da mal reindenkt...

Aber jetzt mal zu meinem EIn-Phasen Generator:

Damit ich 50Hz bekommen benötige ich bei 16 Magnete bei 400 U/min. DAnn benötige ich auch 16 Spulen.
DA meine Magnete die Maße 46x30x10 (Luftspalt zwischen den Magneten: 20mm) und N40 haben erhalte ich für 230V bei der Sternschaltung 31 und bei der Dreieckschaltung 54 Wicklungen. Aber ich muss ja die Wicklungen in Reihe schalten, welche Zahl nehme ich dann????

Wenn du diese Werte aus Scheibengenerator Berechnungstool hast, dann gilt diese Windungsanzahl für jede einzelne Spule.

EDIT: Sorry, deine Frage zielte ja auf den Bau eines Einphasengenerators ab.
Ob das Tool die Berechnung auch eines 1 phasigen Aufbaus ermöglicht weiss ich gerade nicht.
Eine Berechnung " zu Fuss" ist aber auch möglich.


Eugen