direct drive generator

Het losbreek koppel bij 1,5 mm airgab is 3,6 Nm.
Bij 60 r.p.m. merk je niet veel van cogging.

Bij professionele grote molens wordt de gegenereerde wisselstroom omgezet in gelijkstroom en daarna wordt er 50 hertz van gemaakt.
Dat zou ik ook graag willen.

Het mag best even tijd kosten omdat ik dan eerst verder kan gaan met het kruilager en de wiekverstelling.
Ik zou zweren dat ik dit eerder heb opgeschreven hier, maar ik kan het niet meer vinden, dus hierbij een principe schema voor een generator controller, die je kunt besturen met een Arduino of andere simpele microcontroller voor maximum power-point tracking.

Het gaat uiteindelijk om het plaatje rechtsonder, de andere zijn er alleen voor de uitleg. De set van 3 spanningsbronnen, weerstanden, en spoelen is een model voor een BLDC motor, dit zijn dus geen fysiek losse componenten.

Linksboven staat het schema van een "normale" BLDC motorregelaar. Een condensator met daarover een voedingsspanning, 6 MOSFET waarvoor 6 MOSFETs drivers nodig zijn, waarvan 3 high-side, allemaal aangestuurd door een microcontroller met relatief complexe software die de positie en snelheid van de rotor moet schatten, en de MOSFETs aan de hand daarvan moet aansturen. Als het allemaal werkt is dat de meest efficiënte methode, maar zowel de hardware als de software is complex. Het enige echte voordeel van deze constructie is dat je in motorbedrijf kunt beginnen, om een niet-zelfstartende windmolen op gang te krijgen.

Rechtsboven een eenvoudigere contructie; na de motor komt een gelijkrichter, buffercondensator, en een spoel, MOSFET en diode die samen een boost converter vormen. Door deze boost converter kan de generator een accu opladen met een spanning hoger dan de opgewekte spanning van de generator, en door deze correct aan te sturen kan de stroom door de generator geregeld worden, waarmee een maximum power-point tracker mogelijk wordt. De grootste nadelen aan deze constructie zijn de verliezen in de gelijkrichter en de diode in de boostconverter, die relatief groter worden naarmate de werkspanning lager is. Daarbij zijn de eerste condensator en spoel relatief groot en kostbaar, waarbij een compromis gevonden moet worden tussen een hogere schakelfrequentie, grotere rimpelstroom, of grotere en duurdere passieve componenten. Het handige bij deze constructie is dat de microcontroller die het geheel aanstuurt niet meer hoeft te weten wat de positie van de rotor is; de diodes zorgen ervoor dat er een stroom gaat lopen van de meest positieve naar de meest negatieve fase aansluiting, die dus altijd een positief vermogen levert en dus een remmend koppel maakt.

De eerste motorregelaar kan de stroom door de motor regelen door de pulsbreedte van de aansturing te veranderen, waarbij de inductie van de motor gebruikt wordt om de stroom uit te vlakken. Bij de boost converter is daarvoor een aparte spoel nodig. Door deze twee ontwerpen te combineren, en dus de eerste condensator en de spoel van de boost converter weg te laten, en in plaats daarvan de inductie van de motor te gebruiken, kunnen we het ontwerp versimpelen. Er is nog steeds maar 1 MOSFET aan te sturen, en omdat de inductie van de motor van zichzelf al vrij groot is, kan de schakelfrequentie laag blijven; 20kHz is vrij gangbaar voor motorregelaars, en dat kan hier dus ook. De aansturing is nog steeds super simpel; één enkele PWM uitgang volstaat, en wanneer de stroom, spanning en toerental gemeten worden, is wederom een maximum power-point tracker mogelijk. Het grootste nadeel aan deze constructie zijn wederom de verliezen in de diodes. Wanneer de MOSFET in geleiding is, staat er 2 diodes in het stroompad, en terwijl de MOSFET spert, zelf 3, net zoals bij de boostconverter.

Dan komen we tot slot bij het schema rechtsonder; deze werkt soortgelijk, maar net anders. De 3 MOSFETs worden tegelijk aangestuurd, met hetzelfde PWM signaal. Wanneer de MOSFETs in geleiding zijn, worden alle 3 de motorfasen kortgesloten, waardoor de stromen in die fasen gaat toenemen (positief of negatief), proportioneel met de in elke fase opgewekte spanning. Gedurende deze tijd zijn er geen diodes in geleiding, en de verliezen in de MOSFETs kunnen verwaarloosbaar klein zijn. Vervolgens worden alle MOSFETs tegelijk gesperd, waardoor de energie die in de spoelen is opgeslagen, net zoals bij de boost converter, via de diodes wordt gedumpt in de uitgangscondensator. Merk op dat de MOSFETs een interne diode hebben die in dezelfde richting staat als de onderste set diodes in de voorgaande schema's. Hierbij staan dus in de laad- en ontlaad fase 0 respectievelijk 2 diodes in elk stroompad in geleiding (alle 3 de motorfasen doen mee, 2 positief en 1 negatief of andersom). De verliezen zullen dus iets groter zijn dan bij de complexe motorregelaar, maar significant minder dan bij de andere 2 constructies. Daarbij is dit de goedkoopste en simpelste constructie, omdat er maar 1 PWM signaal nodig is, geen high-side MOSFET drivers, geen grote en vooral dure power inductors, en een minimum aan halfgeleiders.


Ik heb hier een aantal jaar geleden aan gesimuleerd, en prototypes gebouwd, dus ik weet dat het werkt, maar ik heb er geen MPPT software bij geschreven. Het zijn nu geen kant-en-klare schema's, de selectie van de diodes, MOSFETs, en gate driver zijn afhankelijk van de generator. De bedoeling was om hier een accu mee te laden, die dus de uitgangsspanning bepaald. Het meten van de uitgangsstroom kan met een Hall effect stroomsensor, of door een weerstand in serie te zetten met de + of - uitgang (vanaf de condensator dus). Een dergelijk ontwerp lijkt me vooral handig voor toepassingen waar het vooral simpel, goed en betrouwbaar moet zijn, en in combinatie met generators die 10-20V leveren met een stroom tot 10A ongeveer.
Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
Mijn voorstel is om een synchronous-step-down configuratie te maken.

Helaas kan de truuk met het gebruik van de spoelen uit de generator dan niet....
four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/
Is die uitleg niet te ingewikkeld en/of te theoretisch want zoals je in dit topic ziet zijn er eenvoudige en vooral praktische oplossingen nodig.
Het max rendement zal hier volgens mij bijzaak worden.

Op 2 september 2018 20:02:06 schreef m.bouwer:
Bij professionele grote molens wordt de gegenereerde wisselstroom omgezet in gelijkstroom en daarna wordt er 50 hertz van gemaakt.
Dat zou ik ook graag willen...

Wat wil je met die wisselstroom doen? op het net zetten of direct verbruiken? want het probleem is dat je niet weet hoeveel vermogen je kunt opwekken om de rentabiliteit van de investering te berekenen.

Volgens mij zul je niet anders kunnen dan de energie in een batterij steken met een MPPT lader, maar of je die zal kunnen kopen op de maat van uw windmolen is weinig waarschijnlijk.
LDmicro user.
Nee, dat klopt, je kunt op die manier alleen omhoog in spanning. Het voordeel daarvan is dat je in principe vanaf een willekeurig laag toerental al iets aan vermogen kunt krijgen, maar het nadeel is dat je, afhankelijk van de generator en het toerental, op een onhandig hoge accuspanning uit komt.

Maar zoals je zelf al zegt: de KV hoger maken (en dus de spanning lager) is veel gemakkelijker dan de andere kant op.

@MGP: wat had ik dan moeten doen, een schema zonder uitleg neer plempen en zeggen "je hoeft niet te weten hoe het werkt"? Ik heb juist geprobeerd stapje voor stapje tot het uiteindelijke concept te komen, en onderweg uit te leggen hoe en waarom. Daarbij bestaat dit topic niet alleen voor de TS, anderen mogen er ook van leren als ze dat willen.

[Bericht gewijzigd door SparkyGSX op 3 september 2018 21:53:45 (29%)]

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
Op 3 september 2018 21:51:06 schreef SparkyGSX:
@MGP: wat had ik dan moeten doen ..

Misschien een meer praktische oplossing aanreiken..desnoods een link naar een redelijke oplossing voor zijn probleem

Ik kan dat niet wegens teweinig ervaring op dit gebied en ik moet eerlijk toegeven dat wat je daar opgeschreven hebt voor mij voor de helft latijn is als ik dat zou moeten omzetten in een schakeling of programma.
Maar dat is natuurlijk uw schuld niet maar hou ook rekening met de minder intellectuele gebruikers ;)
LDmicro user.
Het is een testopstelling. Ik moet nu een manier vinden om de stroom af te nemen en de maximaal toegelaten belasting zien te bepalen.
Het is nog geen complete oplossing, het is een concept waarvan ik een prototype heb getest. Het is in mijn beleving dusdanig eenvoudig dat je het uit rommelbak onderdelen kunt bouwen; het zijn 3 diodes, 3 MOSFETs, een gate driver of desnoods een NE555 als buffer aan een Arduino. Hall effect van AliExpress of een weerstand in de ground aan een analoge ingang en gaan.

Ik heb er nog geen software voor geschreven, een MPPT voor windmolens is niet triviaal. Als iemand daar zin in heeft wil ik de hardware wel verder uitwerken en daar een PCBtje voor tekenen als dat nodig is.
Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
Op 3 september 2018 22:24:59 schreef m.bouwer:
Het is een testopstelling. Ik moet nu een manier vinden om de stroom af te nemen en de maximaal toegelaten belasting zien te bepalen.
Precies. Dan is "accu laden" een prima belasting en "50Hz maken" even buiten scope.
four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/
@Sparky : leuk en leerrijk om te lezen. Weer wat bijgeleerd.
Het lijkt me leuk om hier ook voor de generatorcontroller samen een ontwikkeling door te maken.

Ik ben nu bezig met het aangedreven kruilager. Dit is de naaf.
Kan ik om te beginnen niet eenvoudigweg 3 verwarmings elementjes kopen of maken en op die manier de stroom van de generator afnemen?

De as van het kruilager.
Verwarmingselementjes zou kunnen maar welke moet je maken of kopen?

Je hebt 50V gemeten, is dat belast of niet? het zou kunnen dat de spanning heel wat zakt bij afname van stroom en zou je beter kunnen inschatten welke weerstanden je zou kunnen gebruiken.

Met 3 lampen van 100W/230 in ster heb je dat probleem niet en dan zie je nog eens wat en dan mag de spanning variëren.
LDmicro user.
Met weerstanden mag de spanning natuurlijk ook variëren, en het voordeel is dan dat je de stroom en het vermogen kunt uitrekenen als je de spanning kunt meten en de weerstand weet. Als je een gelijkrichter gebruikt, zoals rew al voorstelde, heb je maar 1 weerstand nodig, en 1 multimeter voor de spanning. Het lijkt me wel handig om verschillende weerstanden te kopen, zodat je de in serie of parallel kunt zetten, om op die manier verschillende stromen te kunnen trekken bij hetzelfde toerental. Met die gegevens kun je de karakteristiek van de motor goed bepalen, met een enkele meetwaarde gaat dat niet.

De schakeling die ik voorstelde is niet perse bedoelt (maar wel bruikbaar) om de motor mee te testen, die is bedoelt om definitief te gebruiken, als boost converter met maximum power-point tracker om de hele windmolen zo efficiënt mogelijk te belasten.

Als je een inschatting hebt van het koppel dat de windmolen kan leveren, of in ieder geval het koppel waarmee je wilt testen, kunnen we ongeveer uitrekenen wat voor weerstand je nodig hebt.

[Bericht gewijzigd door SparkyGSX op 7 september 2018 13:11:05 (10%)]

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
ik zou er eerst eens wieken aanhangen, de hele handel op een mast zetten en laten draaaaaaiiiieeen.
en dan met gloeilampen belasten
mbv de wiekverstelling kan het toerental beperkt worden.

door te meten kan je gaan afschatten wat de molen ongeveer gaat doen en daar je werkelijke testopstelling op dimensioneren
Het vervelende van gloeilampen is dat ze een positief temperatuursquotient hebben, en dus dat de weerstand veranderd. Je zult dus zowel de spanning als de stroom moeten meten om iets zinnigs met die data te kunnen, met gewone weerstanden heb je dat probleem niet, die verlopen nauwelijks, en zolang je ze niet al te heet stookt kun je dat dus verwaarlozen.
Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
mee eens, maar als de hele handel draait dan zal de tempco er na enige tijd wel uit zijn.

1. dan kan je de spanning meten
2. en de stroom
welliswaar niet gelijktijdig maar je hebt wel een aardig idee waar je zit.

als je dan ook nog het toerental vast legt, bv met een oscilloscoop en je doet deze meting bij verschillende toerentallen en belasting (windsnelheid) dan kan je al gauw iets van een kenveld maken.

met dat ruwe kenveld ga je aan de slag om je weerstanden, meetmethode etc te bepalen.

om in deze fase vooraf ook maar iets op twee decimalen nauwkeurig te definieren is altijd onjuist en zonde van de tijd.

gr A
Op 2 september 2018 21:58:48 schreef SparkyGSX:
Ik zou zweren dat ik dit eerder heb opgeschreven hier, maar ik kan het niet meer vinden, dus hierbij een principe schema voor een generator controller, die je kunt besturen met een Arduino of andere simpele microcontroller voor maximum power-point tracking.


Linksboven staat het schema van een "normale" BLDC motorregelaar. Een condensator met daarover een voedingsspanning, 6 MOSFET waarvoor 6 MOSFETs drivers nodig zijn, waarvan 3 high-side, allemaal aangestuurd door een microcontroller met relatief complexe software die de positie en snelheid van de rotor moet schatten, en de MOSFETs aan de hand daarvan moet aansturen. Als het allemaal werkt is dat de meest efficiënte methode, maar zowel de hardware als de software is complex.


Ik heb een suggestie bij het eerste schema "normale" BLDC motorregelaar.
Het voordeel is wel dat je met de FET's ideale diodes hebt. Juist als je 12 of 24V accu's wilt laden blijk je al gauw flinke amperages te hebben, met als gevolg: veel warmte en dikke diodes nodig.
Als je iets kant-en-klaar wilt hebben dan is dit DC2465A bordje met 3x een LT4320 wel iets: http://www.analog.com/-/media/analog/en/evaluation-board-images/images/ltc/dc2465a-35974.png?w=900
Het DC2465A Evaluation Board kost wel dik €100

Wat m.i. wel problematisch kan worden is de maximale ingangsspanning van 48V. Als je de molen ontwerpt op 12V dan kan hij misschien best onbelast over 48V heen gaan.
@MGP: 50 volt meet ik onbelast tussen 2 fases.

@SparkyGXS: Het lijkt me zinnig om Rew te vragen wanneer ik weer eens kan langskomen voor diverse metingen.

anne2: Aan diverse componenten (zoals ook de wieken) om de generator te laten draaien wordt gewerkt.

Spog2: Moet het streven niet zijn een zo hoog mogelijke spanning te produceren?

Kruilager op bovenstuk mast.
Op 7 september 2018 23:04:50 schreef m.bouwer:
Spog2: Moet het streven niet zijn een zo hoog mogelijke spanning te produceren?

Volgens mij kan je kiezen. Het kopervolume bepaalt hoeveel Watt je kan produceren.
Watt = Volt x Ampere
Dunne draad geeft veel wikkelingen en dus Volts, maar laat dan weinig Amperes toe.

Voor mijn Coreless had ik ook dikke draad (1,5mm) en 12V accu in gedachten, maar ik neig nu naar veel hoger voltage vanwege dunnere aansluitkabel en lagere diode verliezen. Maar 220/380V..., dat lijkt me weer erg veel (onveilig?) voor een klein systeem.

P.S.:
Ik vind dat je prachtige foto's maakt, maar ik heb eigenlijk geen goed idee van de schaal.
Je zou een bekend voorwerp (b.v. lineaal, bril, pakje sigaretten) mee kunnen fotograferen.

[Bericht gewijzigd door Spog2 op 7 september 2018 23:43:16 (14%)]

@Spog2: dat evaluatiebord lijkt, wat opstelling van de MOSFETs betreft, wel op mijn eerste schema, maar de aansturing daarvan is totaal anders! Die LT4320 stuurt de MOSFETs in geleiding waarvan de body diode in geleiding zou gaan; de motorregelaar doet echt iets anders, wat ik niet helemaal in detail heb uitgewerkt in mijn eerste verhaal.

Binnen een stap van de 6-step cyclus zal hij één motorfase permanent laag trekken, één fase los laten hangen (die wordt gebruikt voor de positie feedback), en de laatste fase zal afwisselend hoog en laag worden getrokken. Wanneer deze derde fase laag is, is hij effectief kortgesloten naar de eerste, en zal zich dus een stroom gaan opbouwen in die spoelen. Na korte tijd wordt deze fase los gelaten, maar omdat de stroom in die spoelen door wil lopen, zal de diode van de bovenste MOSFET van die derde fase in geleiding gaan, en zal de stroom door de condensators en accu gaan lopen, waardoor die geladen worden. Door nu de bovenste MOSFET ook aan te sturen, kunnen de verliezen in die diode vermeden worden. Terwijl de motor draait, wisselen die fases steeds onderling, dus er wordt steeds een andere laag getrokken, en een andere wisselend laag en hoog.

Die "allebei laag = kortgesloten" stap is nodig om de stroom in de motor op te bouwen, omdat je op die manier met een laag toerental, en dus een lage opgewekte spanning, toch een accu met een hogere spanning kunt opladen. Met een gelijkrichting van diodes of een "ideale" gelijkrichter van MOSFETs kan dan niet!
Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
@SparkyGSX: Ik begrijp eigenlijk niet waarom je een te lage spanning uit de generator omhoog wilt transformeren.


Mijns inziens kan je hetzelfde bereiken door meer wikkelingen toe te passen.
De basis is dan dat je bij de startwindsnelheid van ca 4m/s onbelast een toerental haalt die 14V open spanning oplevert, net genoeg om te beginnen met laden.

In mijn simpele benadering moet je wat er teveel is aan stroom afknijpen met een of andere FET na de gelijkrichter.
Is er geen belasting beschikbaar (bv accu vol) dan zal een hoge open spanning vóór die FET over blijven.
Als je de bij de molen zelf het energieaanbod begrenst door bv uit de wind draaien bij 12 m/s dan wordt de maximale open spanning 42V.

Mijn gedachte was dat je in die LT4320 (DC2465A) de FETs (misschien) ook extern aan/uit kan zetten, zodat je naast een efficiente gelijkrichter ook alle "power-ingrediënten" voor een accuregelaar al in huis hebt.
Kennen jullie Hugh Piggott en zijn boek over coreless generators en acculading?

Mijn draagframe tussen kruilager en generator.