Forum: Haus & Smart Home Windanlage Umrichter für Asynchrongenerator


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von Dave (Gast)


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Thema wurde schon einige-male und recht kontrovers diskutiert ganz ist 
mir die Problematik aber noch nicht klar.

Ich weiß schon bzgl Effizienz brauchen wir nicht diskutieren aber 
angenommen jemand kein ein Windrad für 1kWp "gratis" bauen. Warum nicht 
auch diese Energie nutzen und seihen es nur ein paar kWh im Jahr. Es 
gibt dafür aber anscheinend keinen Anbieter der einem eine 
All-in-Wonder-Box verkauft. Windrad +1kW 230/400V Asynchron Maschine 
hätte ich aber dann wird es haarig.. Netzsynchrone Wind-Umrichter für 
den Normalanwender gibt es nicht. Der windy boy von SMA wurde 
eingestellt (Einzelstücke abgesehen und war auf LMBasis) und Batterie 
oder Inselsysteme fallen bei mir durch. Einspeisezähler von PV wäre 
vorhanden. Bremsen müsste er halt auch können.

Dave

von Dieter (Gast)


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Dazu benötigst Du im Prinzip einen vierquadranten Frequenzumformer. Die 
Rekuperationsenergie statt zu verheizen, muss dann auch in das Netz 
eingespeist werden. Es muss dann die Drehzahl gemessen werden und die 
Frequenz aus dem FU muss entsprechend der Bremswirkung niedriger sein.

von Dave (Gast)


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Dieter schrieb:
> Dazu benötigst Du im Prinzip einen vierquadranten Frequenzumformer

Gibts dafür spezifische FUs die das per Einstellung schon können?

von Dieter (Gast)


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Die können zumindest Nutzbremsen, Rekuperation, Rückspeisen. Falls das 
Netz nicht aufnahmefähig ist, muss auch ein Bremswiderstand vorgesehen 
werden. Die Energie könnte man auch in einen Akku speisen.
https://www.sourcetronic.com/shop/de/frequenzumrichter-st500-230v.html

Steuern muss man das aber selbst. Entweder über die Digitaleingänge oder 
die Analogeingänge. Die gehen aber nur mit Netz.

https://www.wind-energie.de/themen/anlagentechnik/anlagenkonzepte/generatorenkonzepte/
https://www.wind-energie.de/themen/anlagentechnik/anlagenkonzepte/inselanlagen/

Für Geräte von DC 12...48V auf 230/400V bietet der Markt sehr wenig. 
Ansonsten sind es meist Wandler von DC auf Motore von 30...80 (120)V.
https://de.sci.ing.elektrotechnik.narkive.com/vADvURT8/dc-input-frequenzumrichter
https://de.sci.ing.elektrotechnik.narkive.com/F6Prqtr4/frequenzumrichter-fur-12v
https://www.sps-forum.de/antriebstechnik/12084-frequenzumformer-motor-fuer-48v-dc-ac.html

von Dieter (Gast)


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Interessant vieleicht auch zum Lesen:

Leroy Sommer, Universal-Frequenzumrichter, Unidrive

4.6 Typischer Eingangsstrom
Niedervolt-Gleichsspannungsversorgung
Der Umrichter kann mit den Anschlussspannungen 24 V
Gleichspannung (Steuerspannung) und 48 V Gleichspannung (Leistung)
betrieben werden. Der Niederspannungsmodus dient zum Betreiben des
Motors in Notsituationen nach einem Netzausfall, z.B. in Aufzügen; bzw.
zur Drehzahlbegrenzung bei Servomotoren während der
Inbetriebnahme/des Anlaufs von Anlagen, z. B. einer Robotereinheit.
Arbeitsspannungsbereich der Niederspannungsversorgung:

(https://acim.nidec.com/de-de/motors/leroy-somer/products/dc-drives/mentormp)

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Hmm man könnte mit der Energie aus dem Windrad ein Solarmodul 
nachbilden, ggf. mit großen Supercaps als Stützkondensatoren, damit mehr 
Zeit zum Ausregeln ist.

Man muß nur verhindern, daß der Solarwechselrichter wegen zu wenig 
Leistung abschaltet, also evtl. ein paar Watt aus dem Netz mit auf auf 
den Eingang schicken, der ihn gerade so am Laufen hält wenn der Wind mal 
eine kurze Pause macht.

Übrigens ist eine Klein-WKA, die zuverlässig 1kW Leistung ohne 
Hurrikan-Wallcloud schafft, schon ein verdammt großer Aufbau. Hatte ich 
letztens mal irgendwo hier ausgerechnet, das waren einige Meter 
Rotordurchmesser. Viel Spaß beim Bau!

von Dave (Gast)


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Vielen Dank für die nützlichen Infos!

von eldorado (Gast)


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Hallo Ben B.

hast du über die Klein-WKA mal ein paar Info´s ?

Bin auch gerade an dem Thema.

will selbst mal ein Radial 3-Flügelrad mit 5 Meter Durchmesser und ca. 
50 cm Höhe testen, bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten.
Als Generator vielleicht einen 8-poligen Asynchrongenerator, 
Transformierung und Gleichrichtung.

Mit besten Grüßen

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Sorry, das mußt Du Dir selbst raussuchen wo ich das berechnet hatte. In 
jüngster Vergangenheit hat irgendein AnonyMod hier so viele Beiträge von 
mir gelöscht, daß ich nicht mal weiß, ob dieser noch existiert und ich 
habe keine Lust nach Dingen zu suchen, die es gar nicht mehr gibt. Dafür 
ist mir meine Zeit zu schade, auch ums nochmal zu berechnen damit's 
wieder jemand löscht.

Aber im Grunde steht alles was Du für die Berechnung wissen mußt im 
allwissenden Internet-Mülleimer (Wikipedia). Du mußt Dir halt Gedanken 
machen bei welcher Windstärke Du welche Leistung haben möchtest und 
welchen Wirkungsgrad Du beim Flügelrad erwartest, dazu Wirkungsgrad des 
Generators, damit lässt sich die erforderliche Kreisfläche und der 
Durchmesser des Windrades errechnen.

Bei der Höhe ist so hoch wie möglich am besten, also die erlaubten 10 
Meter oder was der Mast ohne größeren Aufwand (Baugenehmigung) in Deiner 
Gegend haben darf voll ausschöpfen.

von Weinbauer (Gast)


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Wind ist so n Thema ... Solarwechselrichter mit MPPT kann man vergessen, 
hab ich schon hinter mir, die überbremsen die WKA auf Niedrigstdrehzahl, 
der Rotor kommt nicht ins Gleiten, Strömungsabriss, kaum Leistung.
Das Problem, die Rotordrehzahl, bei starr angebrachten Rotorblättern, 
muss Sich ändern mit der Anströmgeschwindigkeit, sprich die Belastung 
des Generators muß spannungsabhängig nachgefühlt werden per 
Belastungskennlinie.

Ginlong baut welche, hatte ich einen, der war aber technisch Müll, 
Aurora hab ich jetzt, ist von der Konfiguration her Mist, aber tut was 
er soll

von Weinbauer (Gast)


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PS: 5m Durchmesser ist ne Hausnummer

Auch nicht vergessen Du brauchst ne Lösung für Ersatzlast, Dummyload, 
damit Dir, sollte der WR aussteigen oder das Netz ausfällt die WKA sich 
nicht zerlegt, die darf NIE frei unbelastet drehen. <!>

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Elektrische Bremse kann man bei Klein-WKA vergessen, weil die Windräder 
bei Sturm dazu tendieren, den eher schwach dimensionierten Generator zu 
überlasten. Also für ein paar Böen reicht 'ne Kurzschlußbremsung oder 
sowas, aber für 'nen Tag lang steifen Wind oder wenn man den 
Generatorausfall (bzw. Lastausfall generell durch sowas wie Riemenriss) 
ansich absichern möchte, reicht das nicht mehr.

Gibt aber andere Lösungen, z.B. das Rad 90° zum Wind ausrichten oder 
eine mechanische Bremse vom Auto ginge auch, Rotoren mit passiver 
Stallregelung sind von Hause aus sicher gegen Überdrehzahl.

Wichtig ist keine Bremse verwenden, die ruckartig blockiert. Sonst baut 
der Schwung des schnell drehenden Rotors die Gondel oder 
Gondel-Mast-Verbindung auseinander oder er wird selbst beschädigt.

von eldorado (Gast)


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Das sind schon interessante Info´s.

Als Drehzahlbegrenzung könnte eine Fliehkraftbremse dienen.
Bisher hatte ich übrigens auch einfach den Anschluss an den MPPT-R. im 
Auge.

Mehr im Fokus war mir aber die Wahl des Generators. Neben 
KFZ-Lichtmaschinen tendire ich nun mehr zu langsam laufenden 
Drehstrommaschinen. die könnten bei steigender Last mehr Gegenkraft 
entwickeln. Außerdem lässt sich Wechselspannung auf gewünschte 
Spannungen transformieren, je nach Weiterverarbeitung.
Meine Idee war ein liegendes WR mit ca. max. 700 U/min ziemlich direkt 
mit dem G. gekoppelt, z.B. über eine Hardyscheibe. Das liegt quasi auf 
dem Dach, Antriebswelle durch das Dach, der Rest dann innen. Das WR ist 
mit einem Käfig eingehaust und der Wind kann von allen Richtungen 
wirken.

von eldorado (Gast)


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PS.
Die Sache mit Verstellrotorblättern wäre noch ein interessanter Gedanke, 
z.B. mit Verdrehfedern. Oder auch Fliehkraft abhängig.

von Dieter (Gast)


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Verstellrotorblätter wären eine Lösung.

Vielleicht wäre ein Darius-Rotor noch eine Lösung.

von Weinbauer (Gast)


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Besch....eidenen Wirkungsgrad haben alle Vertikalen gemeinsam

von Arno (Gast)


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eldorado schrieb:
> hast du über die Klein-WKA mal ein paar Info´s ?

Wenn es dir um die Theorie geht, schau mal hier: 
https://www.engineeringtoolbox.com/wind-power-d_1214.html

Der Nutzungsgrad kann physikalisch nicht größer als 16/27 (~59%) werden 
(Betzsches Gesetz) und ist bei realen großen Anlagen meist unter 50%.

Kleine Anlagen sind meist schlechter und haben zudem noch weniger Wind, 
weil bodennäher.

Ein paar Hausnummern findet man auch bei www.wind-turbine-models.com - 
wobei ich gegenüber den Angaben bei kleinen Anlagen für Privatanwender 
eher skeptisch bin. Erst ab rund 10m Rotordurchmesser oder so würde ich 
die Leistungsangaben und Leistungskurven für halbwegs realistisch 
halten...

MfG, Arno

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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> Vielleicht wäre ein Darius-Rotor noch eine Lösung.
Da kannste auch gleich 'nen Wetterhahn nehmen,
der hat genau so viel Leistung!

von Dieter (Gast)


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Ben B. schrieb:
> gleich 'nen Wetterhahn
Und noch einen Fuchs dazu um ihn rotieren zu lassen.

Die Herausforderung ist der große Dynamikbereich des Windes und der 
Umrichter natürlich auch.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Das Problem bei der Dynamik wird mit der Höhe weniger, aber Du hast 
natürlich das Problem, daß es sich im Vergleich zu Solarzellen um eine 
doppelte Energiewandlung handelt. Bei Solarzellen geht Licht rein und 
entsprechend der Stärke kommt Strom raus. Beim Windrad wird zunächst der 
Rotor beschleunigt und ich kann mir Strom holen indem ich den bremse. 
Ohne passenden Umrichter muß man eine Anpass-Stufe bauen und die 
Drehzahl des Rotors der Windgeschwindigkeit anpassen wenn man eine 
möglichst hohe Effizienz haben möchte.

Dieses Problem hatten die ersten Großwindanlagen auch. Die Generatoren 
konnten anfangs nur mit einer festen Drehzahl laufen, dann kamen 
polumgeschalbare Generatoren mit zwei Drehzahlen, dann doppelt gespeiste 
Asynchrongeneratoren mit stufenlos regelbarer Drehzahl und inzwischen 
sinds direktgekuppelte Generatoren, vermutlich auch doppelt gespeist. 
Bis zu 8MW über einen Umrichter ist evtl. doch etwas unpraktisch.

Man braucht aber in jedem Fall irgendeine Steuerung, die vorgibt wie 
schnell der Rotor drehen soll, wieviel Drehmoment anliegt (und zur 
Stromgewinnung verwertet werden kann) und wann evtl. die Leistung 
begrenzt werden muß.

Solarwechselrichter kommen mit starken Schwankungen klar (wechselnde 
Bewölkung kann Lastsprünge von 90% in 2..3 Sekunden bewirken), aber 
nicht mit der Lastanpassung an einen drehenden Generator.

von Niemand (Gast)


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Ben B. schrieb:
> Man braucht aber in jedem Fall irgendeine Steuerung, die vorgibt wie
> schnell der Rotor drehen soll, wieviel Drehmoment anliegt (und zur
> Stromgewinnung verwertet werden kann) und wann evtl. die Leistung
> begrenzt werden muß.

Ist das wirklich so komplex? Da reicht ja schon der mechanische Aufbau 
als Herausforderung völlig aus, dann auch noch den Generator-Teil so 
kompliziert?

Einfach einen Dreh-Strom-Generator mit max. Leistung an das Windrad 
direkt angekoppelt und den Rest macht man dann am Ausgang des Generators 
elektrisch?
Genauso wie bei einem Solar-WR ....
Lastabnahme und Bremsung geht ja alles rein elektrisch zu regeln, also 
ohne großen mechanischen Aufwand. Bis auf die Kühlung von der 
Brems-Leistungsaufnahme, aber da kann man ja in einen Akku reinschieben 
oder per elektrischer Verbraucher > E-Heizung entsprechend belasten?

von Dieter (Gast)


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Ganz so einfach ist es nicht. Der Regler muss auch noch so intelligent 
sein, dass störende Resonanzen übersprungen werden. Beim ICE hört man 
das als Jaulen beim Hochfahren der Geschwindigkeit beim Beschleunigen.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Quark. Was man beim ICE hört ist die Chopper-Steuerung zur 
Leistungsbegrenzung beim Anfahren bzw. später einfach die Kommutierung. 
Die Antriebe von sowas liegen im Bereich von 1,6MW (pro Motor) mit 1200V 
Betriebsspannung... Das ist geringfügig mehr als eine Klein-WKA.

Als reine (Not)Bremsmaßnahme mag das Aufschalten einer Heizung auf den 
Generator funktionieren, aber ob sich das als regulärer Einsatzzweck des 
Stromes lohnt muß jeder selbst entscheiden. Ich denke die Leistung ist 
dafür meistens zu gering.

Solarzellen haben einen ziemlich festen optimalen Betriebspunkt, der 
sich (konstante Beleuchtung vorausgesetzt) rein elektrisch einfach 
ausmessen lässt und sich über den ganze Leistungsbereich kaum ändert. 
Die Regelung ist auch sehr einfach (Ausregelung auf eine bestimmte 
Solarmodulspannung reicht).
  Das hat ein Windrad so nicht, das hat einen von der 
Windgeschwindigkeit abhängigen optimalen Betriebspunkt. Wenn die Anlage 
bspw. viel zu langsam dreht, kommt auch bei Sturm kaum Leistung heraus.

Dazu kommt noch das Problem, daß der Generator erst ab einer bestimmten 
Drehzahl eine brauchbare Ausgangsspannung erreicht. Diesen Nachteil 
haben Solarmodule ebenfalls nicht, der MPP-Spannungsbereich wird schon 
bei schwacher Beleuchtung erreicht.

von Dieter (Gast)


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Ben B. schrieb:
> Quark. Was man beim ICE hört ist die Chopper-Steuerung zur
> Leistungsbegrenzung beim Anfahren bzw. später einfach die Kommutierung.

Nicht ohne etwas zu wissen, sollte man gleich behaupten das sei Quark. 
Bei einem Besuch, dort wo die ersten ICE gebaut wurden, wurde das 
unserer Besuchsgruppe vom zuständigen Leiter für die elektrische 
Konstruktion der Antriebe so erklärt.

Die Massen sind zwar fest, aber die Schwingungsfeder deren 
Federkonstante ist abhängig vom Moment. Diese Singularitäten werden 
einfach umfahren durch gehen auf ein höheres oder niedrigeres Moment 
genau an den Geschwindigkeitspunkten. Und damit die Oberwellen nicht 
auch so was treffen, wird an der Spannung (Zwischenkreis), 
Taktverhältnis und Frequenz auch gedreht. Hochinteressant, und wer damit 
zu tun hat, hat auch Zugang zu den entsprechenden Doktorarbeiten. Dieses 
regelungstechnische Grundwissen ist kein Geheimnis und läßt sich in 
Fachbüchern finden.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Irgendwie finde ich, daß man keine Doktorarbeit braucht um zu wissen, 
daß man bei so leistungsstarken Antrieben nicht lange im Resonanzbereich 
bleiben sollte bzw. diesen möglichst schnell durchfahren sollte. Bei der 
BR103 sind dadurch sogar Schäden entstanden wenn die Loks in Diensten 
eingesetzt wurden, wo sie keine weiten Strecken mit konstant hoher 
Geschwindigkeit fahren konnten.

Für das was Du hörst sind diese Umschaltpunkte aber unerheblich, bzw. 
sie liegen halt da, wo sie liegen. Und daß man mit der Chopperfrequenz 
auch Spielchen machen kann, sieht man an der BR182 (Siemens ES64U2).

Bei Klein-WKA glaube ich nicht recht, daß solche Effekte zu Problemen 
führen, schon gar nicht wenn man die Generatorspannung sowieso 
gleichrichtet. Dafür ist die Leistung einfach nicht groß genug. Groß-WKA 
dürften generell so gebaut werden, daß Resonanzbereiche außerhalb des 
normalen Betriebsbereichs liegen.

von Dieter (Gast)


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Ben B. schrieb:
> Bei Klein-WKA glaube ich nicht recht, daß solche Effekte zu Problemen
> führen

Die Wahrscheinlichkeit ist geringer, da die Frequenzen bei Kleinanlagen 
relativ hoch liegen im Vergleich zum ICE. Bei Kleinanlagen ist ein 
permamenterrregter Generator verbaut und dahinter ein Gleichrichter. 
Somit sind nur die "Ruckler" durch die Rastmomente und die Peaks der 
Gleichrichterströme zu berücksichtigen. Das ist hier recht 
übersichtlich.

von Arno (Gast)


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Niemand schrieb:
> Ben B. schrieb:
>> Man braucht aber in jedem Fall irgendeine Steuerung, die vorgibt wie
>> schnell der Rotor drehen soll, wieviel Drehmoment anliegt (und zur
>> Stromgewinnung verwertet werden kann) und wann evtl. die Leistung
>> begrenzt werden muß.
>
> Ist das wirklich so komplex? Da reicht ja schon der mechanische Aufbau
> als Herausforderung völlig aus, dann auch noch den Generator-Teil so
> kompliziert?
>
> Einfach einen Dreh-Strom-Generator mit max. Leistung an das Windrad
> direkt angekoppelt und den Rest macht man dann am Ausgang des Generators
> elektrisch?

Das kann man schon alles elektrisch machen (bei Klein-WKA - bei großen 
wird man ohne aktive Blatt-Verstellung und aktive Rotor-Ausrichtung - im 
Fachbegriff Pitch und Yaw - nicht finanziell sinnvoll hinkommen) aber 
trotzdem braucht man eine Steuerung. Einen Regel-Algorithmus, wenn du so 
willst. Und eine Energie-Senke, wenn das Netz keine Energie aufnehmen 
kann, Lastwiderstand oder (dann nicht elektrisch) Scheibenbremse, sonst 
geht die Anlage bei stärkerem Wind durch.

MfG, Arno

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