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

Eine geringe Polanzahl gepaart mit ungünstiger Platzierung und Eisenkernen können tatsächlich leicht zu cogging und damit zu Vibrationen führen.

Ich hätte Interesse daran, wie euer Projekt geplant ist. Wie sehen denn eure Turbinen aus? Etwa so wie beim firefly project: http://www.microhydropower.net…index.html . Sind es also Banki/Ossberger(Crossflow)-Turbinen wie in "The Banki Turbine" by C. A. Muckmoore and Fred Merryfield http://agungchynta.files.wordp…urbine.pdf ?

Zur Generatorberechnung kannst du ein Excel-Tool verwenden, das du hier im Forum findest: Forum/cf3/topic.php?t=2825&pag…=exceltool

Eine Wasserturbine ist in der Regel nicht auf leichten Anlauf angewiesen. Deswegen könntest du auch Eisen in den Spulen verwenden um bei Kupfer und Magenten zu sparen. Damit hab ich aber keine Erfahrung.

Jetzt ist die Frage, wie schnell eure Turbinen drehen, dass du Sorge um die Stabilität des Generators hast. Schließlich drehen Windräder auch bis zu 600 Upm.

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

Beim eisenlosen Generator solltest du so gut wie keine Vibrationen feststellen können. Was die Spannungsfrequenz angeht muss ich nochmal nachschlagen, ob die der Drehzahl entspricht, oder ob die Bauart des Generators Polpaare bildet, die berücksichtigt werden müssen.

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

Super, vielen Dank xxlray und eisenloser

Das würde auch bedeuten bei 6 Spulenpaaren bräuchte ich 1000 U /min richtig? Kannst Du mir da mal die Formel schicken? Danke.

Wie wäre es denn mit Eisen und nur einer Magnetscheibe

Wenn ich Deine Ausführungen richtig verstanden habe, werde ich bei einem 1 Phasigen Generator IMMER starke Vibrationen haben.

Wenn ich aber 220V 50Hz direkt erzeugen will, muss das einphasig sein. Ist das auch richtig?

Wenn ich so starke Vibrationen habe, wird es das Polyesterharz nicht lange mit machen, oder?

Welches Eisen kann ich denn eigentlich verwenden? Muss es spezielles sein, oder kann es einfaches Blech sein, dass ich isoliert habe?

Vielen Dank vorab

Johannes

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 bin zu der Erkenntnis gelangt, das die Polpaaranzahl bei Scheibengeneratoren die Hälfte der Magnetanzahl auf einer Ankerscheibe ist. Das liegt meiner Meinung nach daran, dass immer zwei benachbarte Magnete für einen kompletten Sinus sorgen, wenn sie eine Spule passieren. Korrigiert mich bitte, wenn ich mich da irre.
Da wir ja mit einem festen Spulen-Magnetverhältnis von 3/4 arbeiten, lässt es sich vielleicht unmissverständlicher über die Anzahl der Spulen ausdrücken:

Spannungsfrequenz = Spulenanzahl * 2/3 * Drehfrequenz

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.

Hab mich bei der Formel vertan. Pro Umdrehung des Generators werden halb so viele Sinusdurchläufe erzeugt, wie Magnete vorhanden sind. Für die Drehzahl bedeutet das:

Sinusschwingungen = Drehzahl * 2/3 * Spulenanzahl

Für die Frequenz bedeutet das:

Spannungsfrequenz[Hz~1/s] = Drehzahl[Hz] * 2/3 * Spulenanzahl oder umgestellt Drehzahl[Hz] = Spannungsfrequenz[Hz] / (2/3 * Spulenanzahl) für deinen Fall also Drehzahl[Hz] = 50 Hz / (2/3 * 6) = 12,5 Hz = 750 Upm

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

Wenn ich mich nicht irre (und bisher hat ja niemand widersprochen) gilt die Formel für jeden Scheibengenerator mit einem Magnet-Spulen-Verhältnis von 4:3 egal wieviele Phasen man verwendet. Wenn du nur eine Phase verwendest, benötigst du genauso viele Spulen wie Magnete.

Ich komm auf 11,24 Spulen, aber das mag an Rundungsfehlern liegen. Um das 4:3-Verhältnis Für einen Dreiphasengenerator beizubehalten solltest du die Spulenanzahl immer nur in Dreierschritten erhöhen, alo 3, 6, 9, 12, ... Spulen. Demnach bräuchtest du 12 Spulen und damit 16 Magnete auf deinem Anker.
Für einen Einphasengenerator benötigst du 16 Magnete mit 16 Spulen (die dann aber nur ein Drittel so groß werden) denn entscheidend für die Frequenz ist die Anzahl der Magnete und nicht die der Spulen.

Das ist natürlich ein deutlich komplizierterer Aufbau als der bisherige. Alternativ könntest du ein Getriebe oder eine Riemenübersetzung einsetzen, was wieder höheren Wartungsaufwand mit sich bringt. Da musst du wohl abwägen.

Bei drei Phasen verschaltest du die Spulen in der Regel im Stern, wenn du dich nicht bewusst dagegen entscheidest. Ich sehe in deinem Fall keinen Grund, im Dreieck zu verschalten. Wenn du nur eine Phase verwendest, dann werden alle Spulen in Reihe geschaltet.

Die Berechnungen zur Wicklungsanzahl kannst du im Tool aus meiner ersten Antwort machen. Unter Punkt 1 trägst du direkt 400 UPM ein und ignorierst die anderen Werte. Unter 2 trägst du 16 für die Spulen ein. Danach müssen unter 3 und 4 die Werte deiner Magnete eingetragen werden. Hier kannst du ein wenig spielen. Die Spannung definierst du mit 220V und die Anzahl der Phasen mit 1 wenn du einen Einphasengenerator berechnest. Das sollte eigentlich ausreichen, um die richtigen Maße für Spulen und Magnete zu bestimmen.

Ich möchte nochmal betonen, dass du dich hier auf meine theoretischen Überlegungen stützt. Ich habe das selbst nie ausgemessen. Es kann also sein, dass der erste Versuch schief geht.

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

Besser nicht, aber günstiger. Bei Dreieckschaltung benötigst du mehr Wicklungen (Kupfer) um die gewünschte Spannung zu erreichen. Da der Generator möglichst günstig werden soll schätze ich die Situation so ein, dass Kosten in diesem Fall wichtiger sind als der Wirkungsgrad. Wenn ich das richtig verstanden habe, wird aber ohnehin eine einphasige Lösung angestrebt. Damit erübrigt sich (in diesem Fall) die Frage.

Grundsätzlich bin ich der Meinung, dass Menelaos Lösung sicherlich die einfachere ist. Es fragt sich natürlich, wie gut sie sich umsetzen lässt. Das können wir aber schlecht beurteilen.

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

Puh, kann sein. Hab leider grad keinen Kopf, um mir das durchzudenken. Muss ich bei Gelegenheit nochmal machen.

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????

Das müsste der Wert für die Dreieckschaltung sein. Im Stern wird die Spannung über zwei Stränge gemessen. Da du aber nur einen Strang hast sind die Spulenwerte wohl die wie bei Dreieckschaltung, da dort die Spannung nur über einen Strang gemessen wird.

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

Nein, das kann das Tool nicht aber das Online tool auf 24volt.eu kann es, wenn es auch nicht ganz so genau ist wie das unsere. Für einen groben ANhaltswert ist es prima.

Gruß
Max