Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

 
Erdorf
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Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 07.11.2023 - 14:08 Uhr  ·  #1
Hallo zusammen,

Das Thema hier wurde angeregt durch die Diskussionen mit Carl und FamZim bezüglich
einer Spannungsverdopplung mit Gleichrichtung für Wechselspannung.

Mit Hilfe der sogenannten Delon-Brückenschaltung kann man Wechselspannung gleichrichten und dabei die Spannung verdoppeln. Man benötigt zwei Dioden zum Gleichrichten und zusätzlich zwei Kondensatoren für die Spannungsverdopplung.

Geht das auch mit drei Phasen Drehstrom?
Kurz: ja und auch hier mit nur zwei zusätzliche Kondensatoren!

 


Hinweise:
+ Diese Schaltung ist nicht neu und auch nicht unbekannt
+ Die Kondensatoren werden zeitversetzt aufgeladen und weil diese in Reihe liegen verdoppelt sich die Spannung
+ die Kapazität der Kondensatoren ist mit 4700 µF geschätzt, als Nennspannung würde ich min. 16 VDC verwenden
+ die Schaltung verdoppelt nur die L2 und L3 Spannungen, belastet also unsymmetrisch
+ meiner Meinung nach, verhält sich die Schaltung bei hoher Phasen Spannung wie ein normaler B6 Gleichrichter

Was meint ihr?

Grüße
Carl
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 07.11.2023 - 16:27 Uhr  ·  #2
Genial primitiv, genau das vereinfacht den Aufwand mit Step up Anwendungen. Ich hab es gleich als Zeichnung kopiert, mit ein bißchen Fantasie bekomme ich sowas vielleicht hin denn wo die Leitungen sich kreuzen fehlt ein bisschen die Übersicht wenn man mit Elektronik nicht so firm ist wie Du Frank!

Machs doch bitte noch mal für Doofe wie mich!
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 07.11.2023 - 16:34 Uhr  ·  #3
Hallo zusammen,

ich habe mir die Mühe gemacht die Schaltung zu mit LTspice zu simulieren.
Quelle: Drehstrom, 50 Hz, 10 V AC
Verbraucher: Lastwiederstand 10 Ohm
Spannung: 24 V .. 29 V DC
Strom: 2.4 .. 2.9 A DC
Leistung: 57.6 W .. 84.1 W.

 


Grüße
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 07.11.2023 - 16:45 Uhr  ·  #4
Hallo Carl,

Zitat
Machs doch bitte noch mal für Doofe wie mich!

Also wenn in den Zeichnungen sich Leitungen kreuzen und kein dicker Punkt ist, dann berühren sich die Leitungen nicht.

Vielleicht hilft Text?
Man verwendet ganz normal einen B6 Brückengleichrichter.
~ hier werden die Phasen vom Generator angeschlossen
+ hier wird der positive Pol des Akkus
- hier wird der negative Pol des Akkus
Das kennen wir schon und nennt sich auch Drehstrombrücke.

Neu sind zusätzlich zwei weitere Kondensatoren:
Diese werden in Reihe verbunden, also [+ -] [+ -].
Der Pluspol der Reihenschaltung kommt an positiven Pol des Akkus
Der Minuspol der Reihenschaltung kommt an negativen Pol des Akkus
Die Verbindung der beiden Kondensatoren kommt an eine beliebige Phase.

Grüße
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 08.11.2023 - 09:24 Uhr  ·  #5
Hallo zusammen,

unser User Feldi möchte die Schaltung mal ausprobieren.

Was auch noch geht:
Anstatt der zwei Kondensatoren zwei Akkus verwenden oder einen Akku wo man in der Mitte elektrisch abgreifen kann.
So könnte man z.B. ein 12 V Windrad an eine 24 V Akkubank anschließen, ohne weitere Bauteile!

Ich bin gespannt was Feldi zur Praxistauglichkeit zu sagen hat. Und habe auch noch Fragen dazu:
Wie verhält sich die Schaltung bei hoher Phasen Spannung z.B. mehr als 12 V (unbelastet) mit einem 12 V Akku belastet?
Erfolgt dann die Last symmetrisch, d.h. L1, L2 und L3 liefern gleiche Ströme?
Fließt dann immer noch viel Strom durch die Kondensatoren?

Grüße
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 09.11.2023 - 14:26 Uhr  ·  #6
Hallo,

Ladebeginn der Schaltung

Ich habe die Schaltung mal mit Feldis Werten simuliert.
Generator: 3 x 6 V AC mit 5 Ohm Innenwiderstand
Akku: 13 Volt Zener Diode + 100mOhm Widerstand

Bei ca. 6 V AC erhalte ich ca. 13 V DC und 90 mA Strom = 1 Watt Ladeleistung
Die Kondensatoren haben hier Spitzenströme von etwa 240 mA.

 


Betrieb der Spannungsverdopplung

Bei ca. 12 V AC erhalte ich ca. 13 V DC und 600 mA Strom = 8 Watt Ladeleistung
Die Kondensatoren haben hier Spitzenströme von etwa 800 mA.

Ende der Spannungsverdopplung
Wirkt sich Spannungsverdopplung nicht mehr aus, weil der Generator auch abzüglich der Verlustspannung seiner Spulen
schon ausreichend Ausgangsspannung generiert, erhalte ich Folgendes.

bei 3 x 24 V AC:
14 V DC bei 2.1 A Strom = 28 Watt Ladeleistung und Kondensator Spitzenströme von ca. 2 A.

bei 3 x 48 V AC:
15 V DC bei 4 A Strom = 60 Watt Ladeleistung und Kondensator Spitzenströme von ca. 4 A.

Die Phasenströme L1, L2 und L3 sind nun symmetrisch!

Fazit der Simulation:
+ Bei kleinen Generator Spannungen wirkt die Spannungsverdopplung, es wird unsymmetrisch belastet,
die Kondensatoren werden mit ca. dem doppelten Ausgangsstrom belastet.
+ Bei großen Generator Spannungen wirkt die Spannungsverdopplung nicht mehr,
es wird symmetrisch belastet, die Kondensatoren werden mit Ausgangsstrom belastet.
+ Die Kondensatoren sollten auf den zu erwartenden maximalen Strom und Spannung dimensioniert werden.

Grüße
Che
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 09.11.2023 - 19:31 Uhr  ·  #7
Ich habe den Verdacht, dass da nur einphasig die Spannung verdoppelt wird, wenn ich mir Deine Schaltung ansehe.

Ist das woanders schon mal beschrieben worden?
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 09.11.2023 - 19:37 Uhr  ·  #8
Hallo Che,

das ist nicht "meine" Schaltung und man findet in etwas hierzu auch bei anderen Quellen. Nicht gerade viel, aber immerhin.

Du hast fast recht. Es wird nur bei zwei Phasen die Spannung verdoppelt.
Die Dritte Phase dient ausschließlich der Strom Rückführung.
Somit gibt es anfänglich eine unsymmetrische Belastung.
Die unsymmetrische Belastung geht laut Simulation weg, je höher die Generator Spannung wird.

Grüße
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 01:39 Uhr  ·  #9
Hallo,

Ich vermute, diese einfachen Windladeregler machen eine ähnliche Spannungsverdopplung wie hier.

Auch gibt es die Möglichkeit die Spannung sogar zu verdreifachen, leider deutlich aufwändiger:
12 Dioden und 6 Kondensatoren dafür von Anfang an symmetrisch belastet.
Bei Interesse bitte melden.

Das Verdoppeln oder Verdreifachen der Spannung ist schon interessant,
weil damit Generatoren mit geringerem Innenwiderstand und einfache Batterieladung möglich sind,
welche das Windrad besser über einen weiteren Bereich nutzbar machen.

Grüße
Carl
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 05:28 Uhr  ·  #10
Verate nicht zuviel Frank, sonst geht der Patentschutz nicht mehr anzumelden
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 09:24 Uhr  ·  #11
Hallo Carl,

Es gibt ein ähnliches Patent von Siemens aus 2014 bei einphasigen Betrieb, was aber noch mehr als nur die Verdopplung enthält:
https://data.epo.org/publicati…&iFormat=2

Ich finde diese Schaltung auch mit 3 Phasen im Netz z.B. hier
z.B. https://www.mikrocontroller.net/topic/198683

Könnte man tatsächlich noch ein Patent anmelden?

Wie auch immer, für Akkuladung und kleinere Anwendungen, ist das Thema interessant, weil MPPT Regler recht teuer sind
und diese Schaltungen begrenzt Ähnliches leisten.

Es gibt die Möglichkeit die Spannung zu verdreifachen, das ist leider deutlich aufwändiger:
12 Dioden und 6 Kondensatoren dafür immer symmetrisch belastet.
Bei Interesse bitte melden.

Grüße
Carl
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 09:56 Uhr  ·  #12
Das einphasige und Deine 3 phasige Schaltung fasziniert mich mehr als das mit 12 Dioden weil die dann ja auch mehr Eigenverbrauch bedeuten würden was zumindest bei unseren kleinen Windradlösungen fatal wäre.

Ich wusste nicht dass es schon Patente von Siemens dazu gab. Ist in der heutigen Zeit egal, wichtiger ist dass solche Technik den umweltbewußten Erbauern von Kleinwindkraftanlagen frei zur Verfügung steht, das mit dem Patent - ein Scherz!
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 10:25 Uhr  ·  #13
Hallo Carl,

Die Spannungsverdreifachung mit 12 Dioden und 6 Kondensatoren verbraucht tatsächlich den doppelten Diodenstrom.
Als fatal würde ich das nicht ansehen, wenn z.B. verlustarme Dioden verwendet werden.
Dafür ist es hier möglich parallel einen normalen B6 Drehstrom Brückengleichrichter an zuschließen.
Hierdurch, so glaube ich, wird die Schaltung zur Spannungsverdreifachung, automatisch nicht mehr verwendet sobald ausreichend Spannung generiert wird.

Bei der Spannungsverdopplung fließt auch, wenn ausreichend Spannung vorhanden ist,
immer weiter Strom durch die Kondensatoren. Das macht Verluste und lässt die Kondensatoren unnötig altern.
Man kann hier die Mittelleitung zu den Kondensatoren trennen und erhält dann den normalen B6 Drehstrom Brückengleichrichter. Nur wie macht man das automatisch?

Hat alles seine Vor und Nachteile.

Grüße
Erdorf
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Re: Spannungsverstärkung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 10:59 Uhr  ·  #14
Hallo Aloys,

ich finde es besser die Spannungsverstärkung hier zu diskutieren. Danke dass du dich beteiligst ;-)

Zitat geschrieben von Aloys
Zur handschriftlichen Schaltung mit 6 Dioden mal die Frage warum nur die Phase L1 mit Elkos bestückt , und auch belastet wird ? Kann nicht auch L 2 und L 3 auch mit je 2 Elkos sich an der Laderei und Stromlieferung beteiligen.


L1 wird hier ausschließlich als Rückführung für L2 und L3 verwendet. Der Strom von L1 = Strom L2 + Strom L3.
Hier wird also nur der Strom von L1 nicht verwendet, was zu einer unsymmetrischen Belastung führt, es geht keine Energie verloren!

Es gibt auch die Möglichkeit, wie von dir angedacht, symmetrisch die Spannung zu verstärken. Weil die Phasen verkettet sind, ist das nicht so einfach. Man muss die verstärkten Spannung mit mehr Dioden trennen sonst werden die Phasen über über die Kondensatoren kurz geschlossen.
Es sind dann 12 Dioden und 6 Kondensatoren nötig, was so aus sieht:

 


Erläuterung:
D13 ist eine Zenerdiode, welche ab 13 V durchbricht und einen 12 V Akku simuliert.
V1, V2, V3 sind die 3 Phasen vom Generator, hier mit 2 Ohm Widerstand.
C1, C2 ist die Verstärkung der Phase V1, Mittelpunkt Rückführung über V3
C3, C4 ist die Verstärkung der Phase V2, Mittelpunkt Rückführung über V1
C5, C6 ist die Verstärkung der Phase V3, Mittelpunkt Rückführung über V2
D7 .. D12 sind erforderlich um die Verstärkung zum Ausgang zusammenzuführen ohne einen Kurzschluss zu produzieren.

Grüße
Carl
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 12:34 Uhr  ·  #15
"Man kann hier die Mittelleitung zu den Kondensatoren trennen und erhält dann den normalen B6 Drehstrom Brückengleichrichter. Nur wie macht man das automatisch?"

Ginge das mit einem Batteriewächter der bei entsprechend niedriger Spannung durchlässt und bei dann höherer Spannung über zugeschaltetes Relais die Kondensatoren wegschaltet?

Der KEMO kann das Wieder-Einschalten der Last bei 12 V Akkus bei einer einstellbaren Spannung bis zu13,3 V. und kostet unter 20 Euro, es gibt ihn etwas teurer für 12/24 V.
Che
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 14:24 Uhr  ·  #16
Hallo Frank,

habe mir erlaubt, in Deiner Skizze die Dioden und Generatorspulen ein zu kreisen, die an der Spannungsverdopplung beteiligt sind.

 


Die anderen Dioden werden unbeteiligt bleiben, bis sie wieder mit helfen dürfen, wenn die Kondensatorstrecke so stark belastet wird, dass Spannungsverdopplung nicht mehr merkbar ist.

Bei der letzten Schaltung, die mit den 12 Dioden, erschließt es sich mir nicht, wieso eine Verdreifachung erfolgen soll.
Werden die verdoppelten Spannungen doch parallel geschaltet.
Allerdings rechnerisch werden bei der Drehstrombrücke aus 10V eff 13,5V DC. Das im Leerlauf verdoppelt macht 27V.
Also fast 30.
In wieweit man Flussspannungen der Dioden noch abziehen muss habe ich nicht beachtet.

Solche Spannungsverdopplungen mit Kondensator sind sog. "weiche" Spannungsquellen. Was aber für die Akkuladung sogar vorteilhaft sein kann.


Für die Dioden B7 bis B12 kann man eine Drehstrombrücke nehmen. Die anderen müssen Einzel- bzw. Doppeldioden sein.
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 14:37 Uhr  ·  #17
Hallo Carl,

so einfach geht es leider nicht, weil im Betrieb die Spannung vom Akku vorgegeben wird.
Die Leerlaufspannung des Generators existiert dann nicht mehr.

Hier, das was ich von der Schaltung verstanden habe:

 


Erläuterungen:
Akku: simuliert mit R4 (100 mOhm) und Zener Diode (ab 13 V Durchlass)
Drehstrombrücke: D1 .. D6
Generator: V1 + R1 (5 Ohm), V2 + R2 (5 Ohm), V3 + R3 (5 Ohm)
Spannungsverdopplung: C1, Mittelpunkt Verbindung zu V2, C2

Interpretation:
Wenn nur 6 V Leerlaufspannung vom Generator kommen, wirkt die Spannungsverdopplung.
D1, D3, D4, D6 leiten die Phasen V1 + V3 durch
D2 und D5 sperren die Phase V2,
Es werden 13 V Ausgangsspannung erreicht und die Kondensatoren haben je ca. 6.5 V mit wenig Rippelspannung.

Wenn z.B. 24 V Leerlaufspannung vom Generator kommen, wirkt die Spannungsverdopplung nicht mehr.
Alle Dioden leiten die Phasen durch auch D2 und D5 und Phase V2.
Es werden 14 V Ausgangsspannung erreicht und die Kondensatoren haben je ca. 14 V Spitze 180° versetzt.
Die Kondensatoren werden nun immer komplett von 0 ..14 V wechselseitig geladen und entladen mit Ausgangsstrom.
Genau das is unnötig, weil die Spannung ja ausreicht. Man verliert etwas Energie und die Kondensatoren altern.

Fazit:
Wenn D2 und D5 die Phase 2 direkt durchlassen, in diesen Pfaden Strom fließt, ist keine Spannungsverdopplung nötig.

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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 15:01 Uhr  ·  #18
Hallo Che,

Danke dass du dir das mit anschaust.

Zitat
Die anderen Dioden werden unbeteiligt bleiben, bis sie wieder mit helfen dürfen

Wenn Strom am Ausgang fließt, schalten immer 4 Dioden oder gar 6 Dioden durch.

Zitat
Bei der letzten Schaltung, die mit den 12 Dioden, erschließt es sich mir nicht, wieso eine Verdreifachung erfolgen soll.
Werden die verdoppelten Spannungen doch parallel geschaltet.

Ja, das verstehe ich auch nicht und ich bin der gleichen Meinung wie du.
Diese Aussage kommt aus ursprünglich aus dem Microprocessor Forum.
Ich simuliere mal ... da kommt simuliert auch nur eine Verdopplung raus, Danke!

Zitat
Für die Dioden D7 bis D12 kann man eine Drehstrombrücke nehmen.

Das wäre toll, wie geht das denn? Die Drehstrombrücke hat doch nur 3 Pole für Wechselspannung.

Grüße
Che
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 15:19 Uhr  ·  #19
Zitat
Wenn Strom am Ausgang fließt, schalten immer 4 Dioden oder gar 6 Dioden durch.

Seh ich nicht so. Solange die Spannungsverdopplung arbeitet, haben aus meiner Sicht 4 Dioden Pause.

Wenn man hier von Verdreifachung redet, dann dürfte man die einfache Delon-Schaltung auch nicht als Verdopplung bezeichnen.
Denn auch da werden aus 10V eff AC aus dem Spitzenwert der Halbwelle 14,1V * 2 = 28,2V. Minus 0,7V Diodenflusspannung.

Bein Belastung gehts aber schnell runter, die die Kondensatoren immer entladen, aber nur höchstens 50% der Zeit geladen werden.

Bei der Schaltung mit 12 Dioden muss man aus meiner Sicht die Flusspannungen von 3 Dioden ab ziehen.
Mit der Eignung einer Drehstrombrücke, das war wohl zu gfrüh gefreut.

Bei kleinen Anwendungen würde ich das mit den 6 Dioden (Der Drehstrombrücke) und 2 Kondensatoren mal probieren.
12 Dioden und 6 Kondensatoren ist kein einfacher Aufbau mehr.
Erdorf
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Re: Spannungsverdopplung Gleichrichter drei Phasen Drehstrom

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Gepostet: 10.11.2023 - 15:29 Uhr  ·  #20
Hallo Che,

Bei der komplexeren Schaltung kann man nicht von Verdreifachung reden.
Es ist nur eine Verdopplung, wie du schon sagst.
Dafür wird früher mehr Strom geliefert weil eben symmetrisch belastet wird,
mit dem Nachteil von mehr Verlusten durch die Dioden.

Zitat
Solange die Spannungsverdopplung arbeitet, haben aus meiner Sicht 4 Dioden Pause.

Nein, nur D2 und D5 haben Pause. V2 wirkt als Rückführung zwischen den Kondensatoren
für die beiden anderen Phasen V1 und V3. Deswegen leiten die anderen Dioden auch durch,
sonst könnten sich die Kondensatoren nicht aufladen. Es wird hier unsymmetrisch belastet, nur 2 Phasen voll.
Ich habe das nicht nur so verstanden, auch die Simulation liefert diese Ergebnisse.

Hast du denn eine Idee, wie man die Mittelverbindung automatisiert trennen kann, wenn D2 und D5 leitend werden,
weil die Spannung ausreicht?

Hier die simulierten Ströme der Dioden bei 5 V AC.
 

V (grün) Ausgangsspannung
ID1 (blau) Diodenstrom 1
ID2 (rot) Diodenstrom 2
ID3 (cyan) Diodenstrom 3
Gut zu sehen ist dass, die Dioden für V1 und V3 Strom liefern, Die Diode für V2 aber nicht.

Danke
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