Hallo zusammen,

das Thema passiver Gleichrichter wird hier im Forum immer wieder angesprochen, insbesondere dann, wenn es um Akku Ladung geht. Der wesentliche Vorteil dieser Anbindung liegt im Stromverbrauch bei Standby, also dann wenn z.B. nicht genug Wind vorhanden ist. Der Stromverbrauch im Standby ist nämlich 0 mA oder kurz: es gibt dann keinen Stromverbrauch.
D.h. der Akku wird nicht, auch nicht minimal entladen, wenn kein Wind vorhanden ist.

Ich habe diesen Thread gestartet, um die Vor- und Nachteile solcher passiver Gleichrichter für Kleinwindanlagen, hier zu zentralisieren. Und um Grundlagen zu schaffen um komplexere und hochwertigere Lademöglichkeiten bis hin zu MPPT Ladereglern besser zu verstehen.

Ziele dieses Threads sind, unter Anderem:
+ Einfache Lademöglichkeiten aufzuzeigen, die kostengünstig sind und kaum Vorkenntnisse in Elektronik benötigen
+ Vor- und Nachteile darzustellen um präziser vorhersehen zu können was die Schaltungen leisten und was nicht
+ Käufliche und teurere Lademöglichkeiten besser bewerten zu können aufgrund der intern verwendeten Technik
+ Einsatzbereiche passiver Gleichrichter bewerten zu können
+ Einfache Messungen mit passiven Gleichrichter durchführen und bewerten zu können
+ Das Zusammenspiel: Repeller, Generator, Gleichrichter und Akku besser zu verstehen
+ Abwägen können, ob eine andere Lademöglichkeit besser passt

Ich freue mich, wenn ihr euch beteiligt, Kritik äußert, Fehler findet und aufzeigt. Dinge präzisiert oder auch durch Fragen und Anregungen helft das Thema besser zu beleuchten.

Als Einstieg, zwei Links auf die Wikipedia: Gleichrichter und Dreiphasengleichrichter
und zwei Bilder der "ungesteuerten Drehstrombrücke (B6U)" auch 3 Phasen Brückengleichrichter genannt,
die hier wohl am meisten eingesetzte Schaltung.

Die B6U Drehstrombrücke

Generatoren von Windrädern liefern meistens 3 Phasen Drehstrom.

Aus diesem Grund wird meistens, auch innerhalb käuflicher Regler, als erstes,
eine sogenannte B6U "Drehstrombrücke" ("Drei Phasen Gleichrichter" oder "Thee Phase rectifier") verwendet.
Das ist die typische Gleichrichter Schaltung. Käuflich erhältlich meist in Silizium Ausfertigung.

Der angegebene hohe Nennstrom kann nur mit Kühlkörper erreicht werden wenn die Wärme auch kontinuierlich abgeführt wird. Es ist ratsam wegen der Wärmeentwicklung, Lebensdauer und geringeren Verlusten, Drehstrombrücken mit hohem Nennstrom zu kaufen und mit um Faktoren geringerem Strom zu betreiben. Für bessere Kühlung sollte man den Gleichrichter an einem Gehäuseblech befestigen. Wenn die Oberfläche ca. 80°C heiß ist, hat man in etwa den real maximal möglichen Strom erreicht. Genaueres bitte den Datenblättern entnehmen.

Hier ein Beispiel mit 50 A Nennstrom, 1000 V Sperrspannung inklusive Kühler für ca. 10 Euro


Alleine mit so einer Drehstrombrücke ist es möglich ein Windrad an einen Akku anzuschließen.
Hierzu werden die drei Phasen des Generators an die hinteren ~ Kontakte des Gleichrichters angeschlossen.
Der Pluspol des Akkus and den vorderen + Kontakt des Gleichrichters, hier auf der rechten, roten Seite.
Der Minuspol des Akkus and den - Kontakt des Gleichrichters, hier auf der linken, schwarzen Seite.
Als Resultat erhält man eine sehr einfache Lademöglichkeit des Akkus.
Gerne wird diese Schaltung zum Messen verwendet. Auch kann man damit einen Dauerbetrieb realisieren,
z.B. bei flüssigen Blei-Säure Akkus wo man Wasser nachfüllen kann oder wenn am Akku eine Überschussreglung verwendet wird, bzw. das Windrad abgebremst wird wenn der Akku voll ist.

Ganz klar: Das ist keine Ladereglung. Das Generator pumpt hier ungeregelt Strom in den Akku. Akkus die nicht überladen werden dürfen, können so ganz oder teilweise ihre Eigenschaften verlieren.

Verluste entstehen hierbei durch die Diodenspannung, es sind immer zwei Dioden im Stromkreis. Die Durchflussspannung ist bei Ladebeginn ca. 0.7 V und steigt mit zunehmendem Strom. Das bedeutet mindestens 1.4 V Verlustspannung. Bei einem 12 V Akku System wären das alleine schon ca. 10% Verluste bei Ladebeginn. Bei einem 24 V Akku System wären das nur noch ca. 5 % Verluste bei Ladebeginn.

Die B6U Drehstrombrücke im Betrieb am Akku

Hinweis zu Genauigkeit:
Typischerweise liefern unsere Generatoren nur Sinus ähnliche Drehströme. Auch die magnetischen und aerodynamischen Effekte sind in der Realität komplexer. Der Innenwiderstand des Akkus ist sehr gering verglichen mit dem Spulenwiderstand und wird vernachlässigt. In der Praxis sind Abweichungen bei den Messungen zu erwarten.
Es müssen true RMS Messgeräte verwendet werden um glaubhafte Effektivwerte zu erhalten.
Sobald die Schaltung mit Strom belastet ist, wird das Magnetfeld durch diesen Strom und die Spulen im Generator geschwächt. Das führt insbesondere bei der Stromkopplung hier mit Akku dazu dass:
die induzierte Spannung nicht linear mit der RPM ansteigt.
das übertragbare Drehmoment nicht linear mit dem Strom ansteigt.
Zusätzlich gibt es oft Eisenverluste im Generator, welche den generierten Strom und die Spannung reduzieren.
Die Induktivität der Spulen wirkt stärker mit zunehmender Drehzahl, was auf der AC Seite die Scheinströme und Scheinleistung (VA) erhöht.

Spannungen bei Ladebeginn für einen 12V Akku:
Entscheidend für den Ladebeginn sind die DC Akkuspannung, DC Spitzenspannung nach der Gleichrichtung und die Diodenverluste. Es gilt: DC Spitzenspannung = AC Phasen Spannung * 1.41.

Beispiel Rechnung für einen 12 V Akku:
(12.7 V DC Akku Spannung + 1.4 V DC Dioden Spannung) / 1.41 = 10 V AC.
Ab ca. 10 V AC Phasenspannung ist der Ladebeginn für einen 12 V Akku zu erwarten.
Ab ca. 19 V AC Phasenspannung ist der Ladebeginn für einen 24 V Akku zu erwarten.

10 V AC beschreibt den Effektiv Wert der Sinusspannung, das Gleichstrom Equivalent, den RMS Wert und ist ein repräsentativer Mittelwert. Das folgende Bild zeigt, in rot, den Verlauf einer, der drei, Wechselspannungen, wie sie ungefähr zwischen zwei Phasen messbar ist.



Erläuterungen zum Bild:
1) positiver Spitzenwert, z.B. 14.1 V, auch Scheitelwert genannt
2) Spitze-Tal Wert, doppelter Spitzenwert
3) Effektivwert, z.B. 10 V, Gleichstrom Equivalent, RMS Wert
4) Dauer einer Periode, danach wiederholt sich der Spannungsverlauf

Merke: Eine Wechselspannung mit 10 V AC wechselt periodisch zwischen +14.1 V über 0 V nach -14.1 V.


Spannungen und Ströme in einem Betriebspunkt für einen 12 V Akku
Als Betriebspunkt sei die Drehzahl, RPM, des Windrades mit Belastung durch den Akku doppelt so hoch wie bei Ladebeginn und es wären 3 mal 2 Ohm Spulen im Stern im Generator verschaltet.

Welcher Strom fließt nun in den Akku? bzw. wie hoch ist die Ladeleistung und wie ist der Wirkungsgrad?

Durch die doppelte Drehzahl wird in etwa die doppelte Spannung magnetisch induziert.
Die induzierte Spannung erhöht sich mit der Drehzahl des Repellers.
Weil der Akku nicht mehr als 10 V AC Phasenspannung zulässt, entsteht an den Spulen des Generators,
Verlustspannung und Verlustleistung in gleicher Größenordnung.
Es fließen nun in den Akku simuliert ca. 3 A DC was, ca. 42 Watt ausmacht.
Der elektrische Wirkungsgrad des Generators wäre hier geschätzt um die 50 % (abgegebene zu aufgenommener Leistung).
Das Bremsmoment des Repellers erhöht sich mit dem fließenden Strom.
Ist das Bremsmoment größer als das Drehmoment des Repellers, wird der Repeller langsamer.

Spannungen und Ströme in einem weiteren Betriebspunkt für einen 12 V Akku
Als Betriebspunkt sei die Drehzahl, RPM, des Windrades mit Belastung durch den Akku nun dreimal so hoch wie bei Ladebeginn.

Durch die dreifache Drehzahl wird in etwa die dreifache Spannung magnetisch induziert.
Weil der Akku nicht mehr als 10 V AC Phasenspannung zulässt, entsteht an den Spulen des Generators,
Verlustspannung und Verlustleistung in doppelter Größenordnung wie im Akku.
Es fließen nun in den Akku simuliert ca. 6.4 A DC, was ca. 90 Watt ausmacht.
Der elektrische Wirkungsgrad des Generators wäre hier geschätzt um die 33 % (abgegebene zu aufgenommener Leistung).

Merke:
Je schneller das Windrad dreht, desto mehr Spannung wird im Generator induziert.
Quasi nur der höhere Stromanteil kann im Akku in Ladeleistung bei fast gleicher Akkuspannung gewandelt werden.
Das Drehmoment des Repellers nimmt durch den Wind stark (theoretisch quadratisch) zur Drehzahl zu.
Ab einer bestimmten Drehzahl kann das Windrad durchdrehen, weil das Bremsmoment durch den Strom zu schwach ist.

Fazit:
Die direkte Ladung nur mit B6U Drehstrombrücke ist sehr einfach zu realisieren und verbraucht keinen Standby Strom.
Unter Belastung kann die Ladeleistung nur über höheren Strom gesteigert werden.
Das führt zu hohen Wärmeverlusten im Generator und zu einer Schwächung des Magnetfeldes.
Bei höheren Drehzahlen könnte das Bremsmoment nicht reichen und der Repeller könnte durchdrehen.
Akku Über- und Unterladung müssen ggf. zusätzlich abgesichert werden.
Das Windrad muss ggf. zusätzlich gebremst oder weiter belastet werden wenn der Akku voll ist.

Simulation der B6U Drehstrombrücke unter Last am Akku

Die klassischen Formeln zur Gleichrichtung können durch den angeschlossenen Akku,
der die Spannung limitiert und in der Praxis eine nahezu ideale Strom Senke darstellt, kaum verwendet werden sobald Strom fließt. Aus diesem Grund ist es einfacher die Schaltung zu simulieren oder noch besser aufzubauen und zu messen.
Beim Messen hilft es sogenannte true RMS Messgeräte für Effektivwerte und ein Oszilloskop zu verwenden.
Zum Simulieren wurde das kostenlose Programm "LTspice" verwendet.


Aufbau der Simulation



Der Akku wird durch R4, 0.1 Ohm und D7, eine Zenerdiode mit 13V Sperrspannung simuliert
Der Gleichrichter wird durch D1 .. D6 simuliert
Der Generator wird durch V1 .. V3, 16 V Sternspannung und R1 .. R3, 2 Ohm simuliert


Ströme und Spannungen



Erläuterungen:
Akkuspannung: blau, V(N001,N003), 14.3 V RMS
Akkustrom: rot, ID7, 2.98 A RMS
Phasenspannung: cyan, 3 mal am Gleichrichter anliegende AC Spannung, 11.6 V RMS, je 120° zeitversetzt
Phasenstrom: pink, hier nur einmal dargestellt, 2.4 A RMS, die anderen Phasen liefern den selben Strom, um 120° zeitversetzt
Ladeleistung: 14.3 V DC * 2.98 A DC = 43 Watt
Verlustleistung Spulen: 3 * 2.4 A * 2.4 A * 2 Ohm = 35 Watt
Verlustleistung Gleichrichter: 1.4 V DC * 2.98 A DC = 4.2 Watt

Was kann man hieraus erkennen?
Die Akkuspannung ist relativ unbeeindruckt.
Die Phasenspannung wird oberhalb der Akkuspannung gekappt, kann sich nicht weiter entfalten.
Die Spannungsverläufe sind nur bis zur Kappung durch den Akku, sinusartig.
Je geringer die induzierte Spannung, desto geringer die Kappung der Phasenspannung.
Je höher die induzierte Spannung, desto stärker die Kappung der Phasenspannung.

B6U asymmetrische Spannungsverdopplung am 24 V Akku

Die Spannungsverdopplung ist eine einfache Variante der B6U Drehstrombrücke am Akku.
Hierzu ist eine B6U Brücke und ein Mittelpunkt Abgriff am Akku erforderlich. Steht kein Mittelpunkt Abgriff am Akku zur Verfügung, kann man einen anderen Mittelpunkt Abgriff verwenden, hierzu ggf. später mehr.



Funktionsweise der Schaltung:
Wie im Schaltplan ersichtlich ist, wird auf Basis einer B6U Brücke, eine der Phasen, hier L2, zusätzlich zum Mittelpunkt eines 24 V Akkus, der aus zwei 12 V Akkus in Reihe besteht, verbunden. Wenn man dauerhaft die Spannung verdoppeln möchte reicht auch eine B4U Brücke, die übrige Phase wird dann nur an den Mittelpunkt des Akkus angeschlossen.

Hierdurch müssen die Spannungen zwischen L1, L2 und L2, L3 nur noch hoch genug sein um einen 12 V Akku zu laden. Die Spannung zwischen L1, L3 muss nach wie vor hoch genug sein um einen 24 V Akku zu laden. Diese Spannungsverdopplung belastet den Generator unsymmetrisch, anfänglich nur zu 2/3. In der Anwendung am Windrad ist das kein Nachteil sondern ein Vorteil. Das Windrad wird weniger stark am Anfang belastet und kann leichter hoch drehen.

Spannungen bei Ladebeginn für einen 24 V Akku:
Entscheidend für den Ladebeginn sind die DC Akkuspannung, DC Spitzenspannung nach der Gleichrichtung und die Diodenverluste. Es gilt: DC Spitzenspannung = AC Phasen Spannung * 1.41.

Beispiel Rechnung, es muss nur die Spannung für einen 12 V Akku erreicht werden und es wird nur eine Diode verwendet:
(12.7 V DC Akku Spannung + 0.7 V DC Dioden Spannung) / 1.41 = 9,5 V AC.
Ab ca. 9,5 V AC Phasenspannung (Zwischen L1,L2 oder L2,L3) ist der Ladebeginn für einen 24 V Akku zu erwarten.

Vorteile gegenüber der klassischen B6U Drehstrombrücke
Der Ladebeginn erfolgt deutlich früher, ca. bei der Hälfte der RPM. Auch wenn die RPM für den Ladebeginn einer Drehstrombrücke erreicht werden, lädt diese Schaltung dann schon mit höheren Strömen.

Nachteile gegenüber der klassischen B6U Drehstrombrücke
Bei höheren RPM (ca. Faktor vier vom Ladebeginn), fällt die Ladeleistung um ca. 33 % ab. Das ist deswegen so, weil 2 der Strompfade immer nur den halben Akku (12 V) laden und nur ein Strompfad den ganzen Akku (24 V) lädt. Das Windrad wird früher belastet. Reicht das Drehmoment des Repellers nicht, kann es sein, dass das Windrad, nicht oder nur sehr schlecht anläuft. Werden mehrere Windräder so am gleichen Akku gekoppelt, sind die Wicklungen der Windräder galvanisch gekoppelt. Das kann negative Effekte auf die Gesamtleistung aller Windräder haben, z.B. wenn sich der Drehzahl deswegen synchronisiert.

Ein- und Ausschalten der Spannungsverdopplung
Die Spannungsverdopplung kann sehr einfach manuell z.B. mit einem Schalter ein- und ausgeschaltet werden. z.B. wenn stärkere Winde angekündigt werden um diese dann besser zu nutzen.

Anwendungen
+ Kleinanwendungen die ohne Regler Standby Strom arbeiten wollen, wenn kein Wind vorhanden ist
+ Bessere Ausnutzung schwacher Winde, die zwar wenig Leistung produzieren, dafür häufiger vorkommen
+ 12 V Windrad am 24 V Akku System
+ Akku Über- und Unterladung müssen ggf. zusätzlich noch umgesetzt werden
+ Das Windrad mus ggf. zusätzlich noch abgebremst oder weiter belastet werden, wenn der Akku voll ist.

B6U asymmetrische Spannungsverdopplung simuliert mit 24 V Akku

Die Schaltung wurde mit LTSpice simuliert und mit der klassischen B6U Drehstrombrücke verglichen.
Die Simulation berücksichtigt keine Induktivitäten der Generator Spulen und keine Abschwächung des Magnetfeldes im Generator. In der Praxis sind hierdurch geringere Ladeströme zu erwarten.

Schaltbild der Simulation:


V1, V2 und V3 simulieren die Wicklungen des Generators mit 5 Ohm Spulenwiderstand
D1 .. D6 simulieren eine Drehstrombrücke
V4, V5 simulieren Akkus mit 12.5 V Ruhespannung
R4, R5, R6 sind 0.100 Ohm Messwiderstände um die Ströme dort zu messen

Vergleich B6U mit und ohne Spannungsverdopplung
Es wird für die Simulation angenommen das der Generator bei 60 RPM, 9.8 V AC Phasenspannung produziert
und sich im weiteren linear verhält. Als Ergebnis ein Vergleich des DC Ladestromes über die RPM, mit und ohne Spannungsverdopplung.



X-Achse: die angenommenen RPM
Y-Achse: der Ladestrom
Blaue Kurve: die Spannungsverdopplung
Rote Kurve: normale B6U Schaltung

Man kann gut erkennen:
+ die Werte sind simuliert, extrem genau, nicht echt gemessen
+ die Spannungsverdopplung liefert deutlich früher, ab 60 RPM mehr Strom
+ die B6U Brücke liefert erst später, ab 250 RPM mehr Strom

Es ist sinnvoll die Spannungsverdopplung bei höheren RPM abzuschalten oder zu limitieren. Damit bei höheren RPM wo die Generator Spannung oberhalb der Akku Spannung liegt, die Strombelastung in den Generator Wicklungen geringer wird und höhere Ladeströme, direkt über die B6U Brücke fließen.

B6U asymmetrische Spannungsverdopplung am 12 V Akku mit PPTC Sicherung

Die Spannungsverdopplung am 12 V Akku, ist aufwändiger, weil meistens kein Mittelpunkt Abgriff am Akku möglich ist.
Der Mittelpunkt Abgriff wird hier mit Hilfe zweier Kondensatoren konstruiert. Um die Effizienz und die Lebensdauer der Kondensatoren zu erhöhen wird hier der Strom zum Verdoppeln hier mittels einer PPTC Sicherung limitiert. Wenn man dauerhaft die Spannung verdoppeln möchte reicht auch eine B4U Brücke, die übrige Phase wird dann an den Mittelpunkt der Kondensatoren ohne PPTC Sicherung angeschlossen.



Funktionsweise der Schaltung:
Die beiden Kondensatoren werden zeitlich versetzt, von den Spannungen L2,L1 sowie L2,L3 geladen. Weil die Kondensatoren gegenüber dem 12 V Akku in Reihe geschaltet sind, addiert sich die Spannung der Kondensatoren. Sobald diese Summe größer als die Akkuspannung ist, fließt Strom von den Kondensatoren in den Akku. Die Kondensatoren dienen hier als kurzer Zwischenspeicher. Die Spannung L1,L3 wird nicht verdoppelt und führt erst bei höheren RPM über die B6U Brücke zu Ladestrom.
Die PPTC Sicherung begrenzt den Strom zum Verdoppeln, auf z.B. auf 750 mA. Hierdurch fließen höhere Ströme bei mehr RPM auch von den Spannungen L2,L1 sowie L2,L3, direkt über die B6U Brücke, an den Kondensatoren vorbei und laden den Akku so mit höherer Spannung und Leistung. Es kann jede beliebige Akkutechnik verwendet werden. Der Akku muss jedoch ggf. noch vor Über und Unterladung geschützt werden und das Windrad ggf. abgebremst werden oder die überschüssige Energie gedumpt werden.

Dimensionierung und Lebenserwartung der Elektrolytkondensatoren:
Folgende Faktoren beeinflussen die Lebenserwartung im Betrieb: Spannung, Strom, Temperatur, Spezifikation und Kapazität

Spannung:
Die Nennspannung der Kondensatoren sollte großzügig ausgelegt werden. min. 16 V für 12 Volt Anwendungen. Im Betrieb können zeitlich kurze Zustände entstehen, wo ein Kondensator die komplette Akkuspannung erreicht und gleichzeitig der andere Kondensator nahezu Null Spannung hat. Die Kondensatoren sollten nie ohne Akku betrieben werden, falls doch kann das Windrad hoch drehen und die hohe Spannung die Kondensatoren zerstören.

Strom:
Kondensatoren haben eine maximale Strombelastung, die im Datenblatt angegeben ist. Kurzzeitig vertragen Kondensatoren auch höhere Ströme, insbesondere bei niedriger Frequenz. Dauerhaft sollte der angegebene Nennstrom nicht überschritten werden.

Temperatur:
Die Temperatur hängt im Wesentlichen vom Betriebsstrom ab. Der Betriebsstrom sollte mit einer passenden PPTC Sicherung limitiert werden. Das erhöht nicht nur signifikant die Lebensdauer der Kondensatoren, sondern zudem die Effizient der Schaltung. Es gibt Kondensatoren die höhere Betriebstemperaturen zulassen, je höher desto stabiler.

Betriebsstunden:
Man kann Kondensatoren mit bestimmter Güte kaufen. Je höher die angegebenen Betriebsstunden (maximale Belastung) desto stabiler.

Kapazität:
Große Kapazitäten werden sehr teuer. Für ca, 1 Euro bekommt man ca. 4700 µF @ 16V. Große Kapazitäten und hohe Spannungen haben auch eine hohe Strombelastbarkeit. Bei Generatoren mit vielen Polpaaren bzw. hoher Frequenz lohnen sich ggf. auch kleinere Kapazitäten, z.B. 470 µF oder 100 µF. Man kann Kondensatoren parallel schalten, was Strombelastbarkeit und Kapazität gleichzeitig verdoppelt. Man kann Kondensatoren in Reihe schalten was die Spannungsfestigkeit verdoppelt und die Kapazität halbiert.
Es sind möglichst kleine Kapazitäten anzustreben:
+ den Generator moderat bei Ladebeginn belasten
+ das Windrad bei Ladebeginn hoch drehen lassen
+ dennoch für mehr Ladestrom sorgen
+ dennoch den Nennstrom der PPTC Sicherung aushalten
+ die PPTC Sicherung bei langsamer Drehzahl schneller zurücksetzen lassen

Dimensionierung der PPTC Sicherung:
Die Nennspannung sollte mindestens doppelt so groß sein wie die Akku Spannung.
Der Nennstrom der Sicherung sollte 10 % .. 30 % des maximal zu erwartenden Ladestroms betragen und die Kondensatoren vor hohen Strömen schützen.

Spannungen bei Ladebeginn für einen 12 V Akku:
Ab ca. 6 Volt Phasenspannung beginnt der Ladebeginn für einen 12 V Akku.

Vorteile gegenüber der klassischen B6U Drehstrombrücke
Der Ladebeginn erfolgt deutlich früher, ca. bei der Hälfte der RPM. Auch wenn die RPM für den Ladebeginn einer Drehstrombrücke erreicht werden, lädt diese Schaltung dann schon mit höheren Strömen.

Nachteile gegenüber der klassischen B6U Drehstrombrücke
Das Windrad wird früher belastet. Reicht das Drehmoment des Repellers nicht, kann es sein, dass das Windrad, nicht oder nur sehr schlecht anläuft. Kleinere Kapazitäten der Kondensatoren belasten das Windrad weniger stark. Die Schaltung belastet den Generator asymmetrisch produziert ungleiche Ströme innerhalb der Wicklungen das ist jedoch im unteren Leistungsbereich des Generators unkritisch.

Automatische Strombegrenzung der Spannungsverdopplung
Mit Hilfe der PPTC Sicherung, z.B. der FRX07560F kann einfach und günstig der Strom zum Verdoppeln z.B. auf 750 mA begrenzt werden. Die PPTC Sicherung verbindet die Phase mit dem Mittelpunkt Abgriff. Hierdurch werden Effizienz Nachteile bei höherer RMP reduziert und die Belastungskurve in den unteren Drehzahlen wird MPPT ähnlich. Die Verwendung einer PPTC Sicherung erhöht zusätzlich signifikant die Lebensdauer der Kondensatoren.

Hilfsakku statt Kondensatoren?
Theoretisch wäre es möglich anstelle der Kondensatoren auch Akkus einzusetzen um einen Mittelpunktabgriff zu konstruieren. Praktisch ist diese Lösung teurer und signifikant schlechter u.A. weil man weitere Akkus ins System bringt, die Ladeanforderungen haben die eingehalten werden müssen.

Kaskadieren von Verdoppel Schaltungen?
Theoretisch wäre es möglich die Spannung noch stärker zu vervielfachen. Diese Verdoppel Schaltungen haben jedoch auch Effizienz Nachteile. Grundsätzlich sollte in der Energietechnik die generierte Spannung in etwa passend vom Generator geliefert werden.

Fazit
Mit nur zwei Kondensatoren und einer PPTC Sicherung kann aus einer B6U Brücke für wenige Euro, eine zuverlässige und effiziente Schaltung zum Verdoppeln und Anpassen der Spannung für eine Akkuladung erreicht werden. Die Spannungsanpassung ist hierbei in unteren Drehzahlbereichen MPPT ähnlich. Akku Über- und Unterladung müssen ggf. zusätzlich noch umgesetzt werden. Das Windrad muss ggf. noch zusätzlich abgebremst oder weiter belastet werden, wenn der Akku voll ist.

B6U asymmetrische Spannungsverdopplung simuliert mit 12 V Akku

Die Schaltung wurde mit LTSpice simuliert. Die Simulation berücksichtigt keine Abschwächung des Magnetfeldes im Generator. In der Praxis sind hierdurch geringere Ladeströme zu erwarten.

Schaltbild der Simulation:



V1, V2 und V3 simulieren die Wicklungen des Generators mit 5 Ohm Widerstand
L1, L2, L3 simulieren mit je 100 mH die Induktivitäten der Wicklungen
D1 .. D6 simulieren eine Drehstrombrücke
C1 und C2 simulieren die 4700 µH Kondensatoren für den Mittelabgriff
V4, simuliert einen Akku mit 12.5 V Ruhespannung
R4, R5, R6, R7 sind 0.100 Ohm Messwiderstände um die Ströme dort zu messen

Ladebeginn ca. 60 RPM
Der Ladebeginn erfolgt bei 5 V Strang Spannung (ca. 6.1 V Leerlauf Phasen Spannung)
Der Ladestrom in den Akku liegt bei 68 mA
Die Kondensator Ströme liegen auch jeweils bei 68 mA
Die Kondensator Spannungen liegen zwischen 5.8 V und 6.5 V
Die verketten Phasenströme sind: 90 mA, 136 mA, 90 mA

Zu erkennen ist:
+ Die Kondensator Ströme produzieren zu 100% die Ladeströme
+ Die Spannung der Kondensatoren liegt um die 6 V, die Kondensatoren werden wechselseitig geladen
+ Die Phasenströme sind wie erwartet, fast doppelt so hoch wie der Ladestrom, weil ja die Spannung verdoppelt wird
+ Die Schaltung funktioniert genau so wie erwartet

Betriebspunkt ca. 120 RPM
Dieser Betriebspunkt erfolgt bei 10 V Strang Spannung (ca. 12.2 V Leerlauf Phasen Spannung)
Der Ladestrom in den Akku liegt nun bei ca. 397 mA
Die Kondensator Ströme liegen jeweils bei 352 mA
Die Kondensator Spannungen liegen zwischen 4.2 V und 8.3 V
Die verketten Phasenströme sind: 473 mA, 707 mA, 473 mA

Gut zu erkennen ist:
+ Das mittlerweile auch Ströme direkt, über die B6U Brücke und nicht nur über die Kondensatoren in den Akku fließen
+ Die Spannung der Kondensatoren schlägt stärker aus
+ Die Phasenströme sind wie erwartet, fast doppelt so hoch wie der Ladestrom, weil ja die Spannung verdoppelt wird
+ Die Schaltung funktioniert wie erwartet

Betriebspunkt ca. 240 RPM
Dieser Betriebspunkt erfolgt bei 20 V Strang Spannung (ca. 24.4 V Leerlauf Phasen Spannung)
Der Ladestrom in den Akku liegt nun bei ca. 1.37 A
Die Kondensator Ströme liegen jeweils bei 938 mA
Die Kondensator Spannungen liegen zwischen 0.6 V und 12.0 V
Die verketten Phasenströme sind: 1.51 A, 1.89 A, 1.51 A

Gut zu erkennen ist:
+ Die Generator Spannung würde ausreichen, ohne Kondensatoren, nur mit B6U Brücke zu laden
+ Die Ströme, die direkt über die B6U Brücke fließen nehmen zu
+ Die Spannung an den Kondensatoren nimmt zu und ist zeitweise so hoch wie die Akkuspannung!
+ Die Kondensatoren werden nun mit Vollzyklen betrieben
+ Die Schaltung funktioniert, jedoch sind die Phasenströme hoch, verglichen mit dem erzielten Ladestrom

Betriebspunkt ca. 240 RPM nur mit B6U Brücke zum Vergleich
Dieser Betriebspunkt erfolgt bei 20 V Strang Spannung (ca. 24.4 V Leerlauf Phasen Spannung)
Der Ladestrom in den Akku liegt bei ca. 1.71 A
Die verketten Phasenströme sind nur: 1.27 A, 1.27 A, 1.27 A
Die B6U Brücke ist spätestens in diesem Betriebspunkt effizienter.

Fazit bei höheren RPM
+ Die Schaltung wird ineffizient im direkten Vergleich mit einer B6U Brücke.
+ Der Ladestrom reduziert sich, bei gleichzeitig höheren Phasen Strömen, verglichen mit einer B6U Brücke.
+ Die Spannung eines Kondensators steigt auf die Akku Spannung, was beim Dimensionieren der Kondensatoren wichtig ist.
+ Die Verdopplung sollte bei höheren RPM abgeschaltet oder limitiert werden.

B6U asymmetrische Spannungsverdopplung mit Mittelabgriff in der Praxis

Der Dank für diesen Beitrag geht zunächst einmal an alle User die geholfen haben die Spannungsverdopplung in der Praxis zu erproben: Carl, WL01, Feldi, Famzim, Wtt-Betreiber, Levcuso und Che. Die Diskussionen haben gezeigt das Messungen in der Praxis unabdinglich sind, jedoch auch recht schwierig sein können, je nach dem welche Aussagen man treffen möchte, und ggf. auch starke Anforderungen an Messtechnik und Ausrüstung stellen.

Hier ein Bild von Carl, wie einfach eine, ein- und ausschaltbare Spannungsverdopplung am Doppel Akku realisiert werden kann.



Zwei baugleiche Akkus werden in Reihe geschaltet, indem Minus vom einen Akku zum Plus des anderen Akku verbunden werden und so den sogenannten Mittelabgriff ermöglichen.
Der übrige Plus Pol der Akkus, wird mit dem Plus Pol der B6U Brücke verbunden.
Der übrige Minus Pol der Akkus, wird mit dem Minus Pol der B6U Brücke verbunden.
Die drei Phasen vom Generator werden an die Wechsel Pole der B6U Brücke verbunden.
Eine der drei Phasen, hier die mittlere, grüngelbe, wird zusätzlich zum Mittelabgriff verbunden.
Wird die Verbindung zum Mittelabgriff wieder getrennt, arbeitet die Schaltung wieder wie eine normale B6U Brücke.

Hier eine Zusammenfassung der bisherigen Erkenntnisse aus dem praktischen Betrieb.
+ Die Spannungsverdopplung am Doppel Akku mit Mittelabgriff ist oft sehr einfach und quasi kostenlos umzusetzen z.B. bei 24 V
+ Die Spannungsverdopplung mit Kondensatoren ist kostengünstig umsetzbar z.B. bei 12 V Akkus
+ Die Temperatur der Kondensatoren erhöht sich nur leicht, wenn diese unterhalb des halben Nennstroms betrieben werden
+ Beide Varianten verdoppeln tatsächlich die Spannung derart dass ein Ladebeginn ca. bei der Hälfte der RPM erfolgt
+ Manche Windräder/Standort Kombinationen lieferten ohne die Spannungsverdopplung vorher quasi keinen Strom
+ Die Spannungsverdopplung funktionierte bisher stabil ohne Ausfälle auch mit Kondensatoren
+ Bisher wurde kein Windrad aufgrund des früheren Ladebeginns abgewürgt, derart dass es nicht weiter hoch gelaufen wäre
+ Die Schaltung liefert, oft bessere Ergebnisse als einfache Windlader mit "Boost" Funktion, die dauerhaft über Standby den mühsam geladenen Strom und mehr verbrauchen
+ Werden mehrere Windräder so am gleichen Akku gekoppelt, sind die Wicklungen der Windräder galvanisch gekoppelt. Das kann negative Effekte auf die Gesamtleistung aller Windräder haben.
+ Der Akku muss oft noch zusätzlich vor Über- und Unterladung geschützt werden, das leistet diese Schaltung nicht
+ Das Windrad muss oft noch zusätzlich gebremst und belastet werden wenn der Akku voll ist, das leistet diese Schaltung nicht

Ein und Ausschalten mit einem Shelly UNI.
WL01 kann die Verdopplung mit einem Shelly UNI, der einen Strombedarf von <30mA/0,5 Watt hat ein und ausschalten.
Versorgt wird der Shelly UNI mit 12 - 36V DC oder 12 - 24V AC. Er kann analog eine Spannung von 0 bis 30VDC messen, hat 3 digitale Eingänge und kann zwei unabhängige, potentialfreie Stromkreise (36VAC und 24VDC) öffnen und schließen.
Passende Lösungen für Trigger zum automatischen An- und Ausschalten (Frequenz oder Strom basiert) wären noch zusätzlich anzubinden und brauchen vermutlich wieder etwas Standby Leistung. Der Shelly Uni ist vergleichsweise billig und kostet rund € 14,00, sehr beliebt und die Produkt Linie wird aktiv weiter entwickelt. In der Praxis konnte der Shelly Uni die Spannungsverdopplung bisher nicht dauerhaft steuern, aufgrund zu häufiger Schaltzyklen.

B6U asymmetrische Spannungsverdopplung mit einem Kondensator und PPTC Sicherung am Akku (ohne Mittelabgriff)
Diese Variante der Spannungsverdopplung kann an jedem Akku verwendet werden. Es wird nur ein Kondensator benötigt, es ist kein Mittelpunkt Abgriff am Akku nötig. Um die Effizienz der Schaltung und die Lebensdauer des Kondensator zu erhöhen wird hier der Strom zum Verdoppeln hier mittels einer PPTC Sicherung limitiert.



Funktionsweise der Schaltung:
Der Kondensator wird über die Phasenspannung L2,L1 aufgeladen. 120 ° später, baut sich die Phasenspannung L2,L3 in Reihe dazu auf. Ist diese Summe dieser Spannungen dann größer als die Akkuspannung, fließt Ladestrom vom Kondensator über die Sicherung, über die Diode an L2 zum Pluspol des Akkus. Die dann wieder um 120 ° verschobene Phasenspannung L1,L3 wird nicht verdoppelt und führt erst bei höheren RPM über die B6U Brücke zu Ladestrom. Der Drehstromzyklus beginnt von vorne. Die PPTC Sicherung begrenzt den Strom zum Verdoppeln, auf z.B. auf 1 A. Hierdurch fließen höhere Ströme von L2, bei mehr RPM von den Phasenspannung L2,L1 sowie L2,L3, direkt über die B6U Brücke und laden den Akku mit höherer Spannung und höherer Leistung. Es kann jede beliebige Akkutechnik verwendet werden. Der Akku muss jedoch ggf. noch vor Über und Unterladung geschützt werden und das Windrad ggf. abgebremst werden oder die überschüssige Energie z.B. in eine Dumpload abgeführt werden.

Spannungen bei Ladebeginn für einen 12 V Akku:
Ab ca. 6 Volt Phasenspannung beginnt der Ladebeginn für einen 12 V Akku. Die frühere Belastung kann das Windrad abwürgen, wenn der Repeller nicht genügend Drehmoment bereit stellen kann.

Vergleich mit der Spannungsverdopplung durch zwei Kondensatoren:
In der Simulation erfolgt der Ladebeginn nochmal um ca. 5 % früher. Weiterhin ist die Schaltung simuliert um etwa 5 % effizienter. Die bessere Effizienz reduziert die Anforderungen an die Genauigkeit der PPTC Sicherung. Die Schaltung ist noch kostengünstiger, weil nur ein Kondensator benötigt wird ohne Nachteile bei der Lebensdauer.

Vergleich mit der B6U Brücke
Die Schaltung liefert bei hohen RPM auch ohne PPTC Sicherung fast die gleichen Ladeströme wie die B6U Brücke, belastet jedoch den Generator stärker und somit ineffizienter. Aus diesem Grund ist die Verwendung einer PPTC Sicherung weiterhin ratsam um keine Effizienz Einbußen bei hohen RPM zu haben.

Dimensionierung der PPTC Sicherung:
Die Nennspannung sollte mindestens doppelt so groß sein wie die Akku Spannung.
Der Nennstrom der Sicherung sollte 10 % .. 30 % des maximal zu erwartenden Ladestroms betragen und die Kondensatoren vor hohen Strömen schützen.

Fehlerverhalten:
Falls, warum auch immer, der Stromkreis zum Verdoppeln der Spannung ausfällt, funktioniert die Schaltung immer noch wie eine normale B6U Brücke und belastet das Windrad bei hohen RPM weiterhin. Wird die Schaltung ohne Akku betrieben und das Windrad dreht hoch, können sehr hohe Spannungen entstehen, welche die PPTC Sicherung und den Kondensator zerstören können.

Fazit:
Mit nur einem Kondensator und einer PPTC Sicherung kann aus einer B6U Brücke für wenige Euro, eine zuverlässige und effiziente Schaltung, ohne Standby Verbrauch, zum Verdoppeln und Anpassen der Spannung für Akkuladung erreicht werden. Die Spannungsanpassung ist hierbei im unteren Drehzahlbereich MPPT ähnlich. Akku Über- und Unterladung müssen ggf. zusätzlich noch umgesetzt werden. Das Windrad muss ggf. noch zusätzlich abgebremst oder weiter belastet werden, wenn der Akku voll ist, Stichwort Dumpload.

B6U asymmetrische Spannungsverdopplung mit PPTC Sicherung

Beim kritischen Prüfen ob eine B6U basierte Spannungsverdopplung für Kleinwindanlagen am Akku nützlich sein könnte, fallen recht schnell zwei Aspekte auf, die nicht ignoriert werden dürfen:

1. Windräder drehen mit wechselnder Drehzahl, also auch mit hohen Drehzahlen wo keine Spannungsverdopplung notwendig wäre. Ist die Spannungsverdopplung auch bei solch hohen Drehzahlen aktiv, kommt es zu Nachteilen in der Effizienz. Die Generator Wicklungen werden mit mehr Strom belastet als notwendig und der Akku wird mit weniger Strom geladen im Vergleich nur mit B6U Brücke alleine.

2. Wenn eine Spannungsverdopplung mit Kondensatoren bei hohen Drehzahlen aktiv ist, werden die Kondensatoren ohne Vorteil mit hohen Strömen belastet. Das ist ungünstig für die Lebenserwartung bzw. kann die Kondensatoren zerstören wenn die Nennströme der Kondensatoren zu hoch oder zu häufig überschritten werden.

Der Einsatz einer PPTC Sicherung wird beiden Aspekten mit geringen Kosten und Aufwand gerecht und sorgt dafür das sich die Schaltung bei höheren RPM zunehmend, fließend, wie die normale B6U Brücke verhält. Passend dimensioniert entsteht kein Leistungsloch und die Belastung wird im unteren RPM Bereich MPPT ähnlich.



Funktionsweise der PPTC Sicherung:
Die PPTC Sicherung funktioniert auf Basis von Kohlenstoff Ketten, die als Leiter in ein Polymer gemischt werden. Durch den Strom und durch die Temperatur dehnt sich das Polymer bis ca. 125 °C aus und trennt die, normalerweise aneinander liegenden, Kohlenstoff Ketten immer mehr von einander so dass kaum noch Strom fließen kann. Hierdurch ist die PTC Kurve extrem steil, derart das im ausgelösten Fall die Temperatur und die Leistung praktisch gleich bleiben, also nicht mehr wesentlich ansteigen. Die Nennspannung beschreibt auch die maximale Ausdehnung der PPTC Sicherung bevor sie zerstört wird. Ab z.B. 1000 Zyklen bleiben immer mehr Kohlenstoff Ketten auch bei 25° C dauerhaft getrennt was den Kaltwiderstand der PPTC Sicherung erhöht. Letzteres ist hier untergeordnet relevant, weil die PPTC Sicherung in Reihe mit zwei Generator Wicklungen und Kondensatoren verwendet wird und der Kaltwiderstand der PPTC Sicherung mit z.B. 600 mOhm vergleichsweise klein zu den anderen Widerständen ist. Die Polung ist egal. Aufgrund ihres thermischen Prinzips können PPTC Sicherungen DC und AC betrieben werden. Die PPTC Sicherung trennt nicht vollständig den Stromkreis, sondern begrenzt den Strom dauerhaft deutlich unterhalb des Nennstroms. Die angegebene Leistung, von z.B. 0.92 W, ist im ausgelösten Zustand die abgestrahlte Wärme Leistung bei ca, 125° C. Bei weniger Leistung kühlt die Sicherung ab. Bei ca. 25° C ist die Sicherung wieder vollständig leitend und zurückgesetzt. Praktisch stell sich dieser Zustand erst dann ein, wenn die Sicherung mehrere Sekunden lang spannungslos und stromlos ist. Aufgrund der thermischen Funktionsweise ist das Schaltverhalten träge.

Beispiel
Diese PPTC Sicherung hat einen Strom von 750 mA, eine Spannung von 60 V, eine Leistung von 0.92 W und einen Kaltwiederstand von 600 mOhm. Der Trigger Strom ist mit 1.5 A, doppelt so hoch. Je nach tatsächlich anliegender Spannung stellen sich ausgelöst rechnerisch in etwa folgende Ströme ein: 12 V=0.076 A, 30 V=0.030 A, 60 V=0.015 A. Mit P=0.92 W und R=600 mOhm setzt sich die Sicherung bei weniger als 0.7 V zurück.

Dimensionierung der PPTC Sicherung:
Die Nennspannung sollte mindestens doppelt so groß sein wie die Akku Spannung.
Der Nennstrom der Sicherung sollte 10 % .. 30 % des maximal zu erwartenden Ladestroms betragen und die Kondensatoren vor hohen Strömen schützen. Der Nennstrom sollte nicht zu klein gewählt werden, weil die Sicherung, wenn einmal ausgelöst nahezu spannungslos werden muss um die Spannungsverdopplung wieder zu aktivieren.

Beispiel Auswahl:
Ein Windrad liefert ohne Spannungsverdopplung maximal 10 A Ladestrom mit B6U Brücke am 12 V Akku.
Eine passende PPTC Sicherung hätte z.B. 30 V Nennspannung und einen Nennstrom von 2000 mA. Der verwendete Kondensator müsste ebenfalls mindestens 2000 mA Strom vertragen.

Anwendung am Kleinwindrad
Das träge Schaltverhalten der PPTC Sicherung ist günstig. Erst wenn länger, also nachhaltig, höherer Drehzahlen herrschen wird der Strom zum Verdoppeln limitiert und die B6U Brücke stärker genutzt. Passend dimensioniert entsteht kein Leistungsloch. Hat die Sicherung einmal ausgelöst, muss die Drehzahl des Windrades stark fallen bevor die Spannungsverdopplung wieder aktiviert wird. Wenn kleinere Kondensatoren zum verdoppeln gewählt werden, z.B. indem zwei gleiche Kondensatoren in Reihe geschaltet werden, kann dies die Reaktivierung beschleunigen, weil dann bei langsamer Drehzahl mehr Spannung an den Kondensatoren abfällt und weniger an der PPTC Sicherung. Jedoch reduzieren zu kleine Kondensatoren die Belastung des Windrades und die Ladeströme.

Hinweise zur Montage
Die PPTC Sicherung sollte von Luft umgeben, vertikal, eingebaut werden. Sie sollte keine anderen, Wärme leitenden, Bauteile berühren. Sonst würde die Sicherung stark verzögert oder sogar nicht auslösen. Andere Bauteile dürfen in der Nähe sein, auch wenn diese Wärme abgeben. Die gleichen PPTC Sicherungen können parallel geschaltet werden um den Nennstrom zu erhöhen und die Schaltzeiten zu reduzieren. PPTC Sicherungen können nicht in Reihe geschaltet werden um die Nennspannung zu erhöhen.

Quellen:
https://www.mouser.de/ https://www.digikey.de/ https://www.reichelt.de/
PPTC Sicherungen mit hohem Strom und hoher Spannung sind schwer erhältlich. Wenn der Akku und die B6U Brücke angeschlossen bleiben, kann an der PPTC Sicherung nicht wesentlich mehr als die Akku Spannung anliegen.
PPTC Sicherungen können parallel geschaltet werden um den Nennstrom zu erhöhen.
Kleine Kaltwiderstände und geringe Wärmeleistung sind sinnvolle Kriterien bei der Auswahl.

Fazit:
Die PPTC Sicherung ist gut geeignet die B6U Spannungsverdopplung einfach, effizient, sicher und kostengünstig automatisch zu steuern.

B6U asymmetrische Spannungsverdopplung mit Kondensatoren am Akku praktisch getestet

Unser User Carl, hat sich die Mühe gemacht die Schaltungen mit den Kondensatoren zu testen.

Die wesentliche Komponenten der Messung:
Generator: ElvWiS ADVENTURE Generator GEA-200-AL 70 W @1000 RPM, Leerlaufspannung: ca. 5 V / 100 RPM
Kondensatoren: 4700µF, 60 V, 105°
B6U Drehstrombrücke: 50 A, 1000 V inklusive Kühler
Akku: 12 V Gel Akku, halb entladen

Der Teststand:



Ergebnisse:
B6U Brücke ohne Verdopplung
330 RPM 0,15 A
850 RPM 2,8 A

B6U Brücke mit Verdopplung (2 Elko)
330 RPM 0,5 A
850 RPM 2,2 A

B6U Brücke mit Verdopplung (1 Elko)
330 RPM 0,5 A
850 RPM 2,2 A

Gut zu erkennen ist:
+ Die Schaltungen verstärken, in der Praxis gleichwertig, egal ob mit ein oder zwei Kondensatoren, bei niedrigen RPM
+ Beide Schaltungen sind bei hohen RPM schlechter als die B6U Brücke alleine
+ Die Spannungsverdopplung sollte ab ca. 750 mA abgeschaltete oder begrenzt werden um bei hohen RPM mit mehr Strom zu laden und nicht ohne Nutzen die Kondensatoren zu belasten.

Hinweise:
- Die in der Simulation erkennbaren ca. 5% Vorteile der Schaltung mit nur einem Kondensator konnten nicht dargestellt werden
- Die Messgenauigkeit hier, lag bei etwa +- 0,1 A, das ist knapp wenn man 5% Unterschiede darstellen möchte
- Dieser Test, ermittelt nicht die jeweils notwendige mechanische Leistung.
- Aus diesem Grund sind Effizienz Betrachtungen hier nicht möglich.

Fazit:
Beide Schaltungen funktionieren in den praktischen Tests wie erwartet.
Die Ergebnisse aus der Simulation konnten fast alle bestätigt werden.
Hierdurch sind die Ergebnisse aus der Simulation glaubwürdig, auch die vergleichenden Aussagen zur Effizienz.

B6U asymmetrische Spannungsverdopplung mit Kondensator und PTC Sicherung am Akku praktisch getestet

Unser User Carl hat sich die Mühe gemacht die entwickelte Schaltung in der Praxis zu testen.
Ziel dieses Tests ist die Wirkung der PTC Sicherung auf Ladeströme bei hohen Drehzahlen zu zeigen.

Zur Erinnerung:
Die Spannungsverdopplung mit Kondensator wirkt sehr gut bei niedrigen Drehzahlen. Bei hohen Drehzahlen, ist die Verdopplung nicht nötig, die Spannung reicht auch so um den Akku zu laden. Bei hohen Drehzahlen, zeigte sich die Verdopplung mit Kondensator kontraproduktiv und reduzierte den Ladestrom verglichen nur mit B6U Brücke. Die PTC Sicherung soll deswegen den Kondensator Strom begrenzen (schonen) und dazu führen bei hohen Drehzahlen ähnlich effizient wie die B6U Brücke zu laden.

Verglichen wurde deshalb das Ladeverhalten verschiedener Konstellationen:
850 RPM 2.0 A nur mit B6U
850 RPM 1.6 A mit B6U und 4700 µF Kondensator
850 RPM 2.0 A mit B6U, 4700 µF Kondensator und 500 mA PTC Sicherung

Hinweis:
Der gemessene Strom schwankte um etwa +- 0.2 A, es wurde ein Mittelwert gewählt.
Die PTC Sicherung ist mit 500 mA extra recht klein gewählt worden um das Auslöseverhalten einfacher messen zu können.

Die Messung zeigt eindeutig, das die PTC Sicherung die Nachteile des Kondensators bei hohen Drehzahlen, wie erwartet, minimiert. Die Spannungsverdopplung sollte immer z.B. mit PTC Sicherung limitiert werden. Vielen Dank an Carl für diese Messungen. Hierdurch wurden die theoretischen Überlegungen bestätigt und es können solch klar formulierte Aussagen gemacht werden.


850 RPM 2.0 A nur mit B6U




850 RPM 1.6 A mit B6U und 4700 µF Kondensator




850 RPM 2.0 A mit B6U, 4700 µF Kondensator und 500 mA PTC Sicherung

FAQ häufige Fragen und Antworten

"Wann kann eine Spannungsverdopplung Sinn machen?"
Wenn bei 3 ..4 m/s Wind die Ladespannung am Akku nicht erreicht wird.
Wenn nur einmal pro Woche oder seltener Wind mit 5 m/s und mehr herrscht, der dann den Akku lädt.

"Verdoppelt die Spannungsverdopplung die Leistung vom Windrad?"
Nein, es wird lediglich die Spannung vom Generator verdoppelt. Hierbei erhöht sich der Strom in den Wicklungen. Das kann sogar dazu führen dass das Windrad nicht vernünftig anläuft. Ziel der Spannungsverdopplung ist die Ladespannung des Akkus bei niedrigen Windgeschwindigkeiten früher zu erreichen und dann häufiger zu laden ohne dabei Standby Leistung zu verbrauchen.

"Ist die asymmetrische Spannungsverdopplung die einzige sinnvolle Möglichkeit die Spannung zu erhöhen?"
Nein, hier im Forum wurden schon andere Möglichkeiten erfolgreich erprobt. z.B. Ein 24 V Generator am 12 V Akku, ggf. mit Stepdown Wandler oder z.B. angebunden mit speziellen für Windkraft entwickelten Ladereglern wie von Schams-Solar. Auch gibt es komplexere Schaltungen die symmetrisch die Spannung erhöhen.

"Ist die Spannungsverdopplung in ihrer Leistung limitiert?"
Nein, die Leistung ist durch das verwendete Windrad, das geringere Windangebot und durch die Akkuspannung limitiert. Steht von einem größeren Windrad bei Schwachwind eine höhere Leistung zur Verfügung kann diese durch geeignete Kondensatoren, ggf. parallel und in Reihe geschaltet in den Akku übertragen werden.

"Ist die Spannungsverdopplung am Akku in ihrer Effizienz limitiert?"
Ja, die Effizienz jeder Spannungsverdopplung nimmt bei höheren Windgeschwindigkeiten ab z.B. im Vergleich zur B6U Brücke alleine. Das ist deswegen so, weil der Akku dann die höhere Spannung nicht verwerten kann, die Wicklungen jedoch weiterhin mit mehr Strom belastet werden.

"Kann man die Spannungsverdopplung dauerhaft aktiviert am Akku einsetzen?"
Das ist bei höheren Windgeschwindigkeiten ungünstig. Es verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Systems, weil die höhere Spannung im Generator verbleibt und dort Wärme verursacht und die Wicklungen durchbrennen können. Auch werden die Kondensatoren ohne Nutzen bei höheren Windgeschwindigkeiten belastet. Das führt zu unnötigem Verschleiß.

"Wird durch die asymmetrische Spannungsverdopplung nur eine der drei Phasenspannungen verdoppelt?"
Nein, eine der drei Wicklungen wird als Masse mit Kondensator verwendet so dass die anderen zwei Phasenspannungen verdoppelt werden. Die dritte Phasenspannung bleibt unverändert erhalten und wird mit verwendet sobald die Spannung hoch genug ist.

"Wird durch die asymmetrische Spannungsverdopplung nur eine der drei Wicklungen verwendet?"
Nein, es werden alle drei Wicklungen verwendet. Die als Masse verwendete Wicklung wird stärker, z.B. doppelt so stark mit Strom belastet wie die anderen beiden Wicklungen.

"Hat die asymmetrische Spannungsverdopplung wesentliche Nachteile gegenüber einer symmetrischen Spannungsverdopplung?"
Nein, eine Wicklung erfährt eine höhere Strombelastung. Dies jedoch im unteren Leistungsbereich. Deshalb hat dies keinen Einfluss auf die Haltbarkeit der Wicklung. Der früherer Ladebeginn ohne weitere Dioden im Strompfad ist wichtiger sowie die deutlich geringere Komplexität, einfachere Anbindung und Steuerbarkeit.

"Setzt man für die Spannungsverdopplung besser einen oder zwei Kondensatoren ein?"
Beide Varianten sind nahezu gleichwertig. Es gibt manchmal leichte Unterschiede im Ladebeginn und in der Effizienz. Ist ein früherer Ladebeginn feststellbar, wäre dies ein entscheidender Vorteil. Werden zwei Kondensator verwendet teilen diese sich den Strom zum Verdoppeln der Spannung.

"Ist es sinnvoll die Spannungsverdopplung ein und auszuschalten?"
Ja, hilfreich ist eine Spannungsverdopplung am Akku nur bei Schwachwind im unteren Drehzahlbereich. Bei mittleren und hohen Drehzahlen ist die Schaltung kontraproduktiv. Man kann die asymmetrische Spannungsverdopplung einfach per Schalter und/oder Relais schalten und/oder per PPTC Sicherung automatisch limitieren.

"Welche Trigger kann man sinnvoll verwenden um die Spannungsverdopplung ein und auszuschalten?"
Weil die DC und AC Spannung vom Akku quasi vorgegeben werden, eignen sich diese nicht als Trigger. Als Trigger können die Windgeschwindigkeit, Frequenz, Drehzahl oder der Strom: DC Ladestrom, AC Phasenstrom, AC Kondensator Strom verwendet werden.

"Die PPTC Sicherung wird ja Prinzip bedingt heiß, ist das nicht ineffizient?"
Ja und nein, eine PPTC Sicherung verbraucht z.B. 2.6 W wenn diese auslöst, jedoch passiert das nur bei höheren Windgeschwindigkeiten und damit bei höheren Ladeströmen. Weil durch die PPTC Sicherung die Spannungsverdopplung limitiert wird, ist der gesamte Leistungsgewinn deutlich höher als der Verlust von 2.6 W. Die PPTC Sicherung lässt sich einfach mit manuellen Schaltern kombinieren die keine Verlustleistung haben. Aufgrund des thermischen Prinzips ist die Polung der PPTC Sicherungen egal. PPTC Sicherungen können DC und AC verwendet werden.

"Ist eine Spannungsverdopplung immer sinnvoll?"
Nein, wenn bei Schachwind zu wenig Drehmoment und Leistung vom Windrad bereit gestellt wird nützt eine Spannungsverdopplung nichts. Die Asymmetrische Spannungsverdopplung benötigt zum Ausprobieren nur eine B6U Brücke und einen passenden Kondensator. Der Kosten- und Arbeitsaufwand ist vergleichsweise gering und ein Test sollte schnell Aufschluss geben ob die Schaltung in der speziellen Konstellation hilft.

"Das Windrad läuft mit Spannungsverdopplung nicht mehr richtig an, was kann ich tun?"
Man kann die Kapazität der Kondensatoren verringern. Hierdurch sinkt die anfängliche Strombelastung der Wicklungen und der Ladestrom in den Akku erhöht sich erst bei mehr Drehzahl.

"Wenn die Spannungsverdopplung aktiv ist, ist die Spannung dann immer doppelt so hoch?"
Nein, das ist nur im Leerlauf so. Sobald die AC Spitzenspannung die DC Akku Spannung erreicht, fließt Strom in den Akku und die Spannung wird gekappt. Erhöht sich weiter die Drehzahl, steigt der Ladestrom Strom recht linear an, die AC Spitzenspannung bleibt gekappt und der Effektivwert (Mittelwert) der AC Spannung steigt nur noch leicht, weil sich nur noch der Füllfaktor erhöht.

"Ist die asymmetrische Spannungsverdopplung mit PPTC Sicherung ein lohnenswerter Trick?"
Wenn es passt ja! Normalerweise sind solche Dioden und Kondensator Kombinationen in der Energieübertragung zu ineffizient, gerade bei niedrigen Betriebsspannungen wie z.B. beim 12 V Akku. Weil die asymmetrische Spannungsverdopplung vorhandene Dioden der B6U Brücke mit verwendet, und eine passende PPTC sicher und einfach die Spannungsverdopplung steuern kann, erhält man eine sehr kostengünstige und effiziente Spannungsverdopplung.

Die PPPT Sicherung in der Praxis vermessen

Ich wiederum habe mir fünf PTC kommen lassen und einen vermessen. Anordnung senkrecht, wegen bester Kühlung.

Wie schon gedacht, die machen bei höherer Spannung immer mehr zu.
Allerdings muss zum Öffnen die Spannung auf etwa 1V sinken, damit die innerhalb 1 min wieder auf machen.

Hier ein paar Messwerte:



Bis 0,7A sind die stabil leitend.
Aber schon bei 1A erfolgt innerhalb ca. 60s ein Auslösen. Strom danach sehr gering.
Bei weiterem Spannungsanstieg sinkt der Strom weiter.

Es braucht etwa 40s, bis Abkühlung von zuvor 104°C auf etwa 35°C erfolgt, also zum Freiwerden.

Zum Freiwerden muss der Stromkreis am Besten unterbrochen werden.
Oder die Spannung geht zumindest runter auf ca. 1V. Erst dann wird die Sicherung wieder frei.

Danke an alle für die Diskussionen und Beiträge

Um den Thread hier übersichtlich zu halten, habe ich Erkenntnisse und typische Fragen
in die Grundlagen Beiträge, übernommen. Ihr könnt weiterhin gerne Fragen und Anmerkung hier anfügen oder diskutieren.

Grüße

Die Nummer mit den PTC find ich ja sehr spannend, ich sehe da allerdings Probleme am Horizont.
Es wird kein von Nutzer zu Nutzer übertragbares Ergebnis dabei heraus kommen, die Abkühlung ist von der Einbaulage, Umgebungstemperaturen, Belüftung der Schaltung etc. abhängig.
Man könnte das noch etwas pimpen per Anwendung eines kleinen PC-Lüfters zur Zwangskühlung des Bauteils, dann müsste das schon etwas reproduzierbarer werden. Final ist das aber auch nicht.

Hallo wtt-betreiber,

vielen Dank für dein Interesse und Mitwirken an diesem Thema.

Hier in den Grundlagen, geht es darum Möglichkeiten aufzuzeigen mit, den Vor- und Nachteilen. Das gesammelte Wissen kann individuell verwendet werden. Nicht nur bei diesem Thema muss man die verwendeten Komponenten noch speziell auf den Windgenerator und den Standort abstimmen.

Mal losgelöst von der PPTC Sicherung möchte man die Spannungsverdopplung einschalten wenn sie sinnvoll ist und ausschalten wenn sie nicht mehr sinnvoll ist und das am liebsten automatisch.

Zum Beispiel möchte man die Spannungsverdopplung ab 1000 mA DC Ladestrom ausschalten, weil die B6U Brücke sofort 750 mA macht und der Generator, weil mit weniger Strom belastet, hoch dreht und sich bei gleichem Wind dann flott 1100 mA Ladestrom einstellen. Wieder einschalten möchte man die Spannungsverdopplung z.B. dann wieder bei 150 mA, weil dann 250 mA Ladestrom fließen würden.

Die PPTC Sicherung kann man sehr gut verwenden um die Spannungsverdopplung auszuschalten. Das ist wichtig, weil der Generator sonst bei höherer Drehzahl mit zu viel Strom belastet wird und das auch noch asymmetrisch.

Der wesentliche Einflussfaktor für das wieder Einschalten ist der Spannungsabfall an der PPTC Sicherung. Erst wenn die Spannung unter 1 .. 2 V sinkt, schaltet die Sicherung wieder ein. Das ist "übertragbar" und überall gleich. Einbaulage, Lüftung und Umgebungstemperatur ... haben einen um Faktoren geringeren Einfluss.

Praktisch bedeutet das, dass die PPTC Sicherung spätestens dann wieder einschaltet, wenn kein Ladestrom mehr fließt. Das ist "übertragbar" auf alle Standorte. Und das ist ausreichend für typische Schwachwind Standorte mit selten (einmal pro Woche und seltener) mehr Wind.

Weil die PPTC Sicherung in Reihe mit einem Kondensator betrieben wird, kommt es zu einer Spannungsteilung. Der Blindwiderstand von Kondensatoren nimmt mit sinkender Frequenz zu. Wie viel das ausmacht um bei langsameren Drehzahlen die PPTC Sicherung zu entlasten und früher wieder Einzuschalten ist individuell und nicht "übertragbar".

Grüße

"Nicht nur bei diesem Thema muss man die verwendeten Komponenten noch speziell auf den Windgenerator und den Standort abstimmen."

Genauso ist es, abgesehen davon dass wir in der Regel dort wo Spannungsverdopplung etwas bringen kann gleichzeitig auch eine relativ geringe Spanne im Bereich schwacher Windgeschwindigkweiten haben und wohl kaum grössere Unterschiede der Rotorgrößen/Generatorleistungen für diese zu erwarten sind .- große Anlagen werden in der Regel an Standorten aufgestellt wo genug Strömung vorhanden ist so dass Spannungsverdopplung eher einen Bagatell Ertrag verglichen mit der Hauptleistung erbringen.

Es ist also nur eine kleine Marge an nötiger Anpassung nötig die nur die Wahl der PTC Belastung betrifft und das ist nicht nur verschmerzbar sondern gleicht auch anderen Faktoren die bei Windrädern variabel sein können.

Und - es geht in der Hauptsache darum die Spannungsverdopplung wegzuschalten wenn der Wind so weit aufdreht dass er in höheren Geschwindigkeiten bleibt. Die PTC schaltet einfach nicht so häufig im Schwachwindbereich der für Spannungsverdopplung relevant ist - nämlich zwischen 2,5 m/sek bis 4,5 m/sec wobei meist erst bei Überschreiten dieser Geschwindigkeiten PTC Sicherung ausgelöst wird und nach Überschreiten ist dann kaum noch eine Verdopplung mehr nötig und fällt die Geschwindigkeit in den nur kurzen üblichen Phasen des Auf- und Abflauens kaum (meist innerhalb von ca 30 Sek.hin und 30 sek zurück)

Dort schaltet die PTC noch nicht oder eher sehr selten, muß also auch nicht zurückgestellt werden.

Wir haben doch kaum Windräder die bei ab 4 m/sek mittlerer Tages-Windgeschwindigkeit noch Spannungsverdopplung brauchen. Da sind die Unterschiede bei den Geschwindigkeiten im Tagesablauf eher gering. Meist bleibt die Geschwindigkeit innerhalb einer Wettersituation relativ stabil, im Schwachwindbereich jedenfalls kaum mehr als 1 m/sek Schwankung in den Boenphasen - im Inland.

"Wir haben doch kaum Windräder die bei ab 4 m/sek mittlerer Tages-Windgeschwindigkeit noch Spannungsverdopplung brauchen."
Im Gegenteil!
Wohl alles was aus China angeboten wird braucht das, weil die Nennspannung der Nenndrehzahl und Nennlast zugeordnet ist, und nicht mehr dem Ladebeginn.
Auch ISTA hat sich da angepasst, leider.