18,5kW Asynchronmotor Umbau zum PMG

 
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18,5kW Asynchronmotor Umbau zum PMG

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Gepostet: 22.12.2017 - 22:29 Uhr  ·  #1
Hallo,
meine Eigenbau Windkraftanlage mit 10,6m Rotordurchmesser soll einen neuen Generator bekommen. Die Anlage hat ein Getriebe und speist über einen SmartWind SW10 ins Netz ein. Zur Zeit habe ich einen extern erregten Synchrongenerator auf der Anlage, welcher sich aber nicht zufriedenstellend mit dem Wechselrichter regeln lässt. (der Generator neigt leider aufgrund seines internen Aufbaus der Erregung zu Schwingungen...)
Darum möchte ich einen etwas größeren Asynchronmotor zum PM-Generator umbauen, und diesen in die Anlage einbauen.
Ich habe mich auch schon durchs Forum gewühlt und einiges über den Eigenbau von Generatoren gelernt, auch die Problematik mit eisenbehafteten PM Generatoren in Bezug auf cogging sind mit bekannt (aber dafür gibt es ja das schöne decogging Tutorial von "otherpower.com")
Ich habe direkten Zugriff auf Dreh-und Fräsmaschinen, von daher sind meine Vorraussetzungen recht gut; )

Ich bin jetzt aber auf der Suche nach Formeln oder Erfahrungswerten wie ich den Generator berechnen/auslegen kann.
Meine Nenndrehzahl am Generator liegt bei 1200U/min, dann speist der WR mit 10kW ins Netz.Da ich aber einen sehr großen Rotordurchmesser habe benötige ich einen Generator mit entsprechender Leistung, welche dann über Heizpatronen und Bremswiderstände abgebremst wird und so den Rotor aerodynamisch in den stall Bereich bringt.
Ich habe mir überlegt einen 6 poligen Asynchronmotor(1000U/min) mit etwa 18,5kw und 400V zu verwenden. Dieser sollte dann im Arbeitspunkt 1200U/min; 480VAC und 22kW erzeugen.
Ich möchte gerne einen 6poligen Motor verwenden da ich mir davon erhoffe den Stator nicht umwickeln zu müssen, und nur einen neuen Läufer mit Magneten bauen zu müssen..
Dafür benötige ich jedoch wie gesagt etwas Hilfe...

- Gehe ich recht in der Annahme dass ich in diesem Fall auch 6 magnetische Pole auf dem Läufer bauen muss damit die Spannung und Drehzahl nachher stimmt?
- Die maximale Polbreite auf dem Läufer wird, wenn ich das richtig verstanden habe, durch das Innenmaß der Wicklungen im Stator begrenzt, also die Magneten dürfen nicht beide Spulenstränge gleichzeitig bedecken?
- Über die Anzahl und Stärke der Magneten kann ich die Ausgangsspannung verändern, Wie finde ich raus wie viele (und wie starke) Magneten ich pro Pol einsetzen muss? Und ist es bei einem Asynchronmotor ohne Umwickeln realistisch, dass man die auf dem Typenschild angegebenen 400V bei Nenndrehzahl auch erreichen kann?
- Wie groß sollte der Luftspalt zwischen Läufer und Stator sein?

Viele Fragen, aber da hier doch schon der ein oder andere Asynchronmotor umgebaut wurde, kann mir ja vielleicht jemand helfen!
Schon mal vielen Dank und schönen Gruß aus dem derzeit etwas wenig windigen Norden!!

fury
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Re: 18,5kW Asynchronmotor Umbau zum PMG

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Gepostet: 24.12.2017 - 16:32 Uhr  ·  #2
Hallo fury

Sehr interessant, ein elektrisch erregter Generator !
Zu den auftretenden Schwingungen, es arbeiten 3 sich ständig ändernde Systeme zusammen.
Das Windrad mit wechselnder Drehzahl und Drehmoment, der Generator der die Erregung und damit das Magnetfelt ändert , und der Wechselrichter der je nach Spannung die Belastung ändert.
Ich würde, wenn möglich, dem Generator nur alle paar Minuten eine Änderung erlauben, oder nach dem Ladebeginn das ändern ganz ausschalten.
Dann läuft das wie mit einem Permanentmagnetmotor.

Einen Asynkronmotor kann man als Synkrongenerator nutzen, er wirt aber nicht so eine große Leistung wie als Motor bringen.
Beim Motor verstärkt die Wicklung bei stromzunahme das Magnetfeld, bei Generatorbetrieb reduziert der Strom das Magnetfeld.
Dadurch sinkt die Lehrlaufspannung ! bei max möglicher Generatorleistung auf 50 bis 60 % !
Also sind die 400 V nicht zu halten bei gleicher Drehzahl, da muß diese dann erhöht werden.

Der 6 Polige Asynkrone muß mit gleicher Wicklung auch 6 Magnetpole bekommen.
Diese teilen den Luftspaltumpfang in 6 Teile und müssen noch einen Abstand untereinander haben.
Etwa 2/3 Magnet und 1/3 Nix.
Bei der hohen gewünschten Leistung braucht man auch sehr dicke Magnete.
Das richtet sich nach der Frequenz und der Masse des Magnetmaterials.
Die Magnete werden ausser der Feldstärke auch mit einem Energiegehalt angegeben, da hab ich mich noch nicht genauer mit beschäftigt, müßte mich da auch erst einarbeiten.

Gruß Aloys.
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Re: 18,5kW Asynchronmotor Umbau zum PMG

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Gepostet: 25.12.2017 - 20:37 Uhr  ·  #3
Hallo,
Der Generator ist wie gesagt eine extern erregte synchoron Maschine, welche über eine kleine eingebaute Erregermaschine die Erregerspannung schleifringlos auf den Läufer überträgt.. ist eigentlich eine sehr feine Maschine, und bevor ich den WR hatte, habe ich allein mit der Erregerspannung erfolgreich die Belastung der Windkraftanlage geregelt.
Die Erregerspannung ist mittlerweile schon auf konstant eingestellt. Die Ausgangsspannung vom Generator ist leider aber nicht so "sauber", ich habe ein Rippel von ca 20VAC auf der Spannung. Und der Wechselrichter muss leider auf Spannungskennlinie eingestellt werden da die Drehzahlkennlinie mit diesem Generator auch nicht funktioniert. Blos bei einem Rippel von 20VAC kann man halt keine vernünftige Regelung erwarten. Deswegen bin ich jetzt auf der Suche nach einem PMG.

Hast du eine Idee wie ich rausfinden/berechnen kann wie stark die Magneten auf dem Läufer sein müssen?
Wenn du sagst dass ich beim Umbauen eines Asynchroners die angegebene Spannung nicht erreiche, dann würde dass den Aufwand natürlich noch mal weiter erhöhen, da ich den Stator umwickeln müsste...mist.. das habe ich befürchtet, dann ist das ganze Spiel doch erheblich komplizierter.... Stelle mir grad die Frage ob es einfacher wäre einen Scheibengenerator zu bauen.. Aber in der Leistungsklasse ist das bestimmt auch nicht so einfach, vor allem sehe ich da auch thermische Probleme bei den vollständig vergossenen Wicklungen...
Also dann doch Asynchroner umbauen?..

schönen Dank für die Hilfe, und noch ein schönes Fest
Gruß
Fury
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Re: 18,5kW Asynchronmotor Umbau zum PMG

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Gepostet: 26.12.2017 - 13:08 Uhr  ·  #4
Hallo

Ja ein schönes Teil , bei "Uns " hieß das RG-Anker, für R otierender G leichrichter.
Diese Erregermaschine hatte aber schon 150 Hz , also 3 fache Generatorfrequenz.
Dann noch die Dioden und Sicherungen auf dem Anker.
Erregung durch 6 Pole im Ständer.
Eine Extra Dämpfung hatte das System scheinbar nicht, kann mich jedenfalls nicht daran erinnern.
Der Induktor war allerdings ein einteiliger Stahlblock der Magnetschwankungen selber ausgleichen kann.
Ich nehme an, das Dein Induktor geblecht ist, dadurch fällt diese Funktion wohl aus.
So kann die Frequenz der Erregermaschine mit den Magnetspulen eine zusätzliche Spannung im Generator induzieren, wie etwa die 20 V Ac ?
Das sollte aber trotzdem, nach dem die Generatorspannung gleich gerichtet ist, durch Kondensatoren weg sein.
Entweder im Wechselrichter selbst, oder zusätzliche Elkos an dessen Eingang.
Bei Deinem Genrator müsten ewentuel Elkos mit auf die Welle wenn da Platz ist.
Oder eine Dämpferwicklung auf die Pole zusätzlich, ähnlich wie bei Spaltpolmotoren, nur um den ganzen Pol.

Zu den Magneten für den Asynkronen kann ich nur ein Beispiel Vorrechnen.
Aus einem selbstgebauten BL Motor bekomme ich max mal 600 W bei einer Drehzahl von etwa 6 000 U/min.
Dieser wiegt 650 g hat 24 Stege und 28 Magnete.
Die Frequenz ist dann etwa 1400 Hz.
Die Magnetmasse errechnet sich aus 28 Magneten mit 1,5 cm mal 0,4 cm mal 0,2 cm = 3,36cm³
Nun teile Ich die 600 W durch 2800 Polwechsel und die 3,36 cm³ und bekommen die Leistung von 0,064 W pro 1 cm³ magnet und einem Polwechsel.
Ziemlich wenig , sieht jedenfals so aus.
Wenn nun Dein G mit 50 Hz betrieben wirt, brauchen wir : 18 000 W durch 0,064 pro 1 cm³ und durch 100 Polwechsel = 2812 cm³ an Magnetmaterial.
Diese auf die 6 Pole des Generators verteilt sind 469 cm³ pro Pol.
Dann brauchen wir die mögliche Abmessung der Polfläche , ist diese zb 10 mal 8 cm ?? wären die Magnete 5,85 cm dick, oh je :sick:
Wenn ich dagegen mal an die Dualscheibengeneratoren denke , die ohne weiteres 2 cm dicke Magnete auf jeder Seite haben , dann ist das wieder Realistisch.
Wichtig ist da also auch wie groß die Polfläche dann vom Asynkronmotor ist, also Statorlänge mal Durchmesser, das ist ja kein kleines Teil.
Beim Umwickeln kann dann auf eine wesentlich höhere Polzahl , und damit Frequenz geändert werden.
Das geht dann mit dünneren Magneten.
Wie viele Stege hat der denn ? wegen möglicher Polzahl.
Doppelte Polzahl = habe Magnetdicke !

Gruß Aloys.
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Re: 18,5kW Asynchronmotor Umbau zum PMG

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Gepostet: 28.12.2017 - 08:21 Uhr  ·  #5
Hallo,
Vielen Dank Aloys für deine Ausführungen und Gedankenanstöße!
ja ich habe rotierende Gleichrichter auf dem Läufer, und ich glaube du hast recht, die 20V Rippel können wohl von der Erregerfrequenz kommen. Das lässt sich aber schlecht ändern...
Zur Zeit Läuft die Erregung des Generators noch über eine PWM geregelte Steuerung. Ich werde mal die Tage zum Testen einfach ein altes Trafo basierendes lineares Netzteil mit passender Ausgangsspannung raussuchen und damit die Erregung bestromen. Vielleicht ergeben sich davon ja auch noch irgendwelche Resonazen...
Das Rippel wäre mir sogar noch egal, wenn ich den Generator einfach über die Drehzahlkennlinie des WR laufen lassen könnte, dies funktioniert unterhalb der Nenndrehzahl auch wunderbar. Nur wenn der WR die Generatordrehzahl ab der Nenndrehzahl konstant halten soll, gibt es ein ganz böses Schwingen in der Anlage (hört sich an als wenn der Generator im Zahnflankenspiel des Getriebes hin und her schlägt...) das kann ich mir nur so erklären, dass bei schlagartiger starker Belastung des Generators, das Magnetfeld im Läufer und somit auch im Stator kurzzeitig zusammenbricht und wieder aufgebaut werden muss. Dies erzeugt dann die oben genannten Schwingungen, ist das plausibel oder fällt dir noch etwas ein um dieses Problem zu beheben?

Deine Rechnung ist ganz interessant, und könnte ein guter Anhaltspunkt sein.
Ich habe zur Zeit noch keinen 6 poligen Asynchron-Motor, aber ich hab hier noch einen großen 4 poligen liegen, welcher zwar etwas schwer ist, aber von der Bauform und Größe zumindest einsetzbar wäre.. ich hab den gestern mal geöffnet und gezählt.
Der Motor hat folgende Daten:
Hersteller: ABB ; Typ225M4AK.
45kW@50Hz
cosphi : 0,85
380/660V
86/49,5A
1480U/min
Stege 48 Stück
Slots 48 Stück
Durchmesser des Läufers= 220mm
Länge des Läufers ca. 270mm
Wenn ich jetzt nach deinem Beispiel rechne und davon ausgehe den Motor nicht umzuwickeln:
Benötigtes Magnetmaterial = 2812cm^3 geteilt durch 4 Pole=703cm^3 pro Pol
Durchmesser des Rotors 220mm=> Luftspaltumfang 691mm=>691* 2/3= 460mm Magnetbreite gesamt=> geteilt durch 4 Pole= ca. 115mm Magnetpolbreite.
115mm* 270mm Läuferlänge= 40500mm^2( 405cm^2) Magnetfläche pro Pol
Wenn ich jetzt die gewünschten 703cm^3 durch die 405cm^2 teile ergibt sich eine Magnetdicke von 1,7mm.
Das wäre dann ja relativ einfach zu machen.. Ausreichend Magnetmaterial wäre bei so großen Motoren wohl aufzubringen, aber wenn die Ausgangsspannung unter Last dann noch um 50% einbricht dann hab ich bei 1500U/min nur noch 190V was für den Wechselrichter zu wenig ist...
Ist die Rechnung so richtig?
schönen Dank und Gruß
fury
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Re: 18,5kW Asynchronmotor Umbau zum PMG

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Gepostet: 29.12.2017 - 09:27 Uhr  ·  #6
Hallo fury

Als erstes würde ich die Erregung der Erregermaschine fest setzen und nicht einer PWM überlassen.
Wenn diese eingreift reagiert der WR wieder entgegengesetzt nehme ich an.
Der WR richtet sich aber nach der gelieferten Generatorspannung und stellt dem entsprechent seine Leistung ein.
Die Leistungskurfe muß in ausreichent grossen Spannungssprüngen programmiert sein, um einen Spannungseinbruch bei der dann höheren Leistungsentnahme nicht auf ein Spannungsniwo zum wieder runterregen herab zu setzen.
Wenn die PWM dann zusätzlich noch eingreift kommt es wohl zu den Schwankungen..

Bei der Magnetberechnung sind die 1,7 mm aber 1,7 cm !! cm³ durch cm² sind immer noch cm !!
Also bei der Berechnung komme ich auf 2,2 cm in etwa, wenn die jeweilige Magnetfläche 11,5 cm mal 27 cm ist.
Ich denke 2 cm Magnete wirt es schohn geben, aber die sind schon sehr heftig mit der Anziehungskraft und darum gefährlich bei der Montage.
Das geht nur mit Befestigung auf dem Boden und runterlassen des Ankers mit einem Kran.
Mit einem Magnetvolumen von nur 7 cm³ hab ich mir die Finger schon heftig geklemmt, bei über 2 000 cm³ ? lieber ohne mich, das ist unberechenbar.
Versuch lieber mit dem E Erregten alles in den Griff zu bekommen.
Ich denke ER ist auch ein 100 kg Teil!

Gruß Aloys.
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Re: 18,5kW Asynchronmotor Umbau zum PMG

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Gepostet: 30.12.2017 - 21:05 Uhr  ·  #7
Hallo,
bei den cm geb ich dir natürlich recht! Hatte mich schon gewundert, aber hab das einfach mal nicht in Frage gestellt weil mir das Ergebnis so gut gefallen hat; ))
Nen Kran etc. hätte ich wohl hier, aber ich gebe dir Recht, das Projekt wird doch aufwändiger als ich dachte..
Werde mich wohl erst mal weiter mit dem extern Erregtem beschäftigen...
Und sonst werde ich mal mit dem örtlichen Motorenwicklern sprechen ob die mich beim Generatorbau untersützen wollen, das wird ja sonst spätestens beim Auswuchten des Läufers sowieso problematisch.
schönen Dank und Gruß
fury
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Ursachenforschung!

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Gepostet: 31.12.2017 - 10:24 Uhr  ·  #8
Hallo fury

Wie weit ist den das mit der Erregung der Erregermaschine von aussen ausgereitzt.
Geht da eventuell noch mehr mit einer höheren Spannung ?
Irgentwo ist ja immer Schluß.
Ich nehme mal an das das Windrad mehr Leistung bringen kann wie der Generator, bei der Drehzahl wo das Schwingen anfängt.
Der G wäre dann am Limit, und eine höhere Strombelastung fürt zu einem stärkeren Spannungseinbruch, was den WR wieder zum Runterschalten auf die nächste Stufe veranlast.
Dann wieder ausreichende Spannung mit hochschalten auf die höhere Last und so weiter.
So müste es eigentlich auch bei einem Permanent-erregtem sein, wenn dieser Betriebszustand erreicht ist.
Bei Überschreitung des max möglichen, bricht "der" auch in der Leistung ein.
Das ist ab 50 % der theoretischen Lehrlaufspannung so, selbst gemessen bei Motor-Generator-Versuchen, mehr geht wirklich nicht.
Abhilfe wäre eine stärkere Erregung, hängt bei Dir von der Erregermaschine auf dem Generator ab, die dann stärker erregt werden müste, mit höherer Spannung und Strom.
Abhilfe wäre auch die Drehzahl steigen zu lassen für mehr Leistung.
Die Erregerspannung für die Erregermaschine könnte mit einer Spannungsquelle in reie erhöht werden.
Die kann aus dem ~ Generatorstrom generiert werden, mittels eines Trafos mit Gleichrichter.

Das Übersetzungsverhältniss wäre der Generatorstrom dieser angezapften Phase, zum Erregerstrom der Erregermaschine.

Ist das 10 A G Strom zu 1 A Erregestrom, ist das Wickelverhältnis 1 zu 10 .
Der Trafo braucht dann eine Wicklung für, ich sag mal 4 V und den max Generatorstrom bei 18,5 kw.
Die Sekundärwicklung ist für eine Spannung von 40 V und den Erregerstrom der Erregermaschine, mit anschliessender Gleichrichtung.
Die Spannungsquelle, nach gleichrichtung wirt mit der normalen Spannungsquelle für die Erregung in reie geschaltet.
Durch die Gleichrichter fließt dann der "normale" Erregerstrom bis der Generator bei dem 1 zu 10 Verhältnis einen 10 mal höheren Strom fürt, als die Erregung benötigt.
Dann mischt sich der Trafo mit ein, und setzt sich mit zusetzlicher Spannung und Strom durch.
Durch das Verhältniß 1 zu 10 kann ER erst dann am Gleichrichter eine Stannung "durchsetzen" die dann in reie geschaltet ist.
Bis dahin muß die normale Erregerspannung den Spannungsabfal an diesem Gleichrichter mit überwinden.
Der Trafo verbraucht auch erst ab diesem Zustand eine Spannung vom Generatorstrom.
Die Erregerspannung steigt nun, der Generator wirt stärker erregt und die Generatorspannung steigt etwas, als wenn stärkere Magnete eingebaut wären.
Das sind so meine Überlegungen, das mit Spannungserzeugung hab Ich bei anderen Versuchen schon gemacht !

Einen guten Übergang ist neue Jahr noch :-)

Gruß Aloys.
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Re: 18,5kW Asynchronmotor Umbau zum PMG

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Gepostet: 05.01.2018 - 21:23 Uhr  ·  #9
Hallo,
Die Erregerspannung lässt sich noch etwas weiter erhöhen, natürlich nur bis zur maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters.. Die Bremslast erhöht sich dadurch natürlich sofort da die Bremslast ja einen konstanten Widerstand hat.
Deine Ideen mit der selbst verstärkenden Erregung sind auch nicht schlecht, vor allem ist das relativ ausfallsicher, da kann wenig kaputt gehen.
Ich werde neben der Optimierung der Erregerspannung, mal einige Versuche mit einer zusätzlichen frequenzabhänigen Bremslast machen. Werde wohl noch etwas spielen müssen; )
gruß
fury
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