B6U Spannungsverdopplung am 12 V Akku
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 PTC Sicherung limitiert. Sind keine hohen Ströme zu erwarten kann die PTC Sicherung entfallen. Wenn man dauerhaft die Spannung verdoppeln möchte reicht auch eine B4U Brücke, die übrige Phase wird dann an den Mittelpunkt der Kondensatoren ohne PTC 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 PTC 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 PTC 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, um den Ladestrom weiter zu erhöhen. Hier muss man wegen der geringeren Strombelastbarkeit ggf. Kondensatoren parallel schalten, was Strombelastbarkeit und Kapazität gleichzeitig verdoppelt.
Achtet man auf alle Faktoren, wird die Schaltung
nahezu endlos halten für Anwendungen mit Windrad.
z.B. ist
dieser Kondensator mit 16 V, 4700 µF, 3.82 A, 105°C, 10000h für 1 Euro, schon gut geeignet für 12 V Anwendungen.
Dimensionierung und Lebenserwartung PTC Sicherung:
Der wesentliche Einfluss auf die Lebenserwartung der PTC Sicherung ist die maximale Spannung im Betrieb.
Der Spannungswert der Sicherung soll
mindestens so hoch sein, wie die maximale Akku Spannung,
Der Stromwert der Sicherung sollte:
+ bei niedrigen RPM eine Verdopplung zulassen
+ bei hohen RPM die Verdopplung limitieren
+ die Kondensatoren vor hohen Strömen schützen
Der Stromwert sollte maximal halb so hoch sein, wie der maximal zulässige Kondensator Strom.
Der Stromwert sollte ungefähr so hoch sein, wie der Strom der sich bei doppelter RPM (zum Ladebeginn) einstellt.
PTC Sicherung sind meist für DC spezifiziert und funktionieren hinreichend genau für AC aufgrund ihrer thermischen Funktionsweise.
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.
Automatische Strombegrenzung der Spannungsverdopplung
Mit Hilfe der PTC Sicherung, z.B. der
PTC FRX07560F kann günstig (ca. 1 Euro) der Strom zum Verdoppeln z.B. auf 750 mA begrenzt werden. Die PTC 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, weil eine fließende Spannungsanpassung erfolgt. Die Verwendung einer PTC Sicherung erhöht zusätzlich signifikant die Lebensdauer der Kondensatoren. Die Sicherung begrenzt den Strom und schaltet, anders als andere Sicherungen,
nicht ab und muss
nicht manuell betätigt werden.
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 PTC Sicherung kann aus einer B6U Brücke für wenige Euro, eine zuverlässige und effiziente Schaltung zum Verdoppeln und Anpassen der Spannung für eine 12 V 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.