Startsida Forum Webbutik Manualer Sol Vind Vatten El & elekronik Värme Kalkylatorer Projekt Övrigt Länkar Om 24 volt Kontakta oss
Svenska English
Vattenkraft
Fallhöjd och flöde
Mätmetoder flödeKalkylator
Turbin & hjultyper
Francis
Kaplan & propeller
Pelton
Turgo
Crossflow
UW-turbiner
Vattenhjul
UnderfallshjulKalkylator
PonceletKalkylator
Zuppinger
Bygga själv
GeneratorKalkylator

Sök på 24volt.eu
 


Besökare/Visitors
online:
5

Permanentmagnetgeneratorer för vattenhjul och turbiner

PMG
Har man ett vattenhjul, eller en liten turbin, kan man producera sin el med samma typ av generator som man använder till hembyggda vindkraftverk. Enda skillnaden är att man lindar den för högsta effekt vid ett visst varvtal. Eftersom jag själv har ett vattenhjul använder jag det som exempel i beskrivningen nedan.


Mät först vattenhjulets/turbinens vridmoment
Vad man behöver veta för att bygga generatorn är hjulets, eller turbinens effekt och vid vilken effekt det producerar den effekten. Effekten kan räknas fram om man känner till vridmomentet och hur man mäter den visas här.


För att utvinna all energi ur vattnet måste dess hastighet helt bromsas upp och mina mätningar visade också att högsta vridmoment uppnåddes när hjulet stannade. Utan broms roterar hjulet med 38 rpm, men då är också hjulet obelastat och vridmomentet är noll. När effekten sedan beräknades visade sig den högsta effekten uppnås vid hjulets halva varvtal, 19 rpm och effekten var då 80 watt.


Kabelförluster och rätt laddspänning
När man känner till vattenhjulets effekt, vet man också vilken effekt generatorn ska ge och vid vilket vartal den effekten ska uppnås.
För att erhålla så hög verkningsgrad som möjligt, ska generatorns spänning inte ligga allt för högt över batterispänningen. Det optimala är att hålla den likriktade spänningen till batteriet runt 14,2 -14,4 volt. Lite förluster i kabeln från hjulet/turbinen till batteriet får man dock räkna med och man måste därför höja spänningen en aning för att kompensera kabelförlusterna. Använd den här kalkylatorn för att beräkna spänningsfallet i kabeln.

Har man inte möjlighet att hålla vattenflöde och fallhöjd konstant, kan det vara bättre att höja generatorns spänning, så att generatorn ger laddning även vid lägre flöden. Gör man så förlorar man i verkningsgrad, men å andra sidan blir man inte strömlös om vattenflödet minskar. I och för sig kommer den effektivare generatorn också att ge lite effekt, men eftersom generatorn i det här fallet blir överdimensionerad vid låga flöden, kommer vattenhjulets varvtal att ligga och studsa mot det varvtal där generatorn uppnår laddspänning.

Vad man väljer är en avvägning, men personligen är jag beredd att offra en del till förmån för att även ha ström när vattenflödet minskar. En allt för hög generatorspänning orsakar hög värme i generatorns statorlindningar och hur mycket statorn tål, ska jag själv testa senare. Det finns även andra lösningar, men i det här exemplet väljer jag att bestämma spänningen till 17 volt vid full effekt.

Den andra lösningen är att använda en MPPT-regulator och är inte effekten för hög går det bra med Naps MaxPower. Med en sådan kan man gå betydligt högre i spänning, upp till 45 volt, utan egentliga värmeförluster i generatorn. Med en MPPT-regulator kan man tänka på samma sätt som man gör när det gäller vindkraftverk, att uppnå laddspänning redan vid små flöden och lågt varvtal. Att spänningen sedan stiger vid stora flöden gör inget eftersom regulatorn omvandlar "överspänningen" till användbar energi för batteriet.


Generatorns effekt och varvtal
Vad jag nu behöver är en generator som ska ge 80 watt vid 19 rpm. Med tillräckligt många magnetpoler är det full möjligt att konstruera en sådan generator, men eftersom neodymmagneter är dyra väljer jag att växla upp varvtalet med remskivor, låt säga i ett förhållande 1:10. Generatorns varvtal vid 80 watt blir istället 190 rpm, vilket förenklar det hela.


Statorns lindningar - Antal varv
För att räkna ut antalet lindningsvarv används samma formel som vid beräkning av "pannkaksgeneratorer" för vindkraftverk, men istället beräknar vi lindningarna med hänsyn till generatorns maximala effekt.

N = U / (A x R x B x P x 2)

N = totalt antal lindningsvarv per fas
U = Total spänning (Emk) över samtliga lindningar i en fas
R = varvtalet per sekund (ej varv per minut)
B = magnetisk flödestäthet i Tesla (oftast ca: 0,5 Tesla)
P = Antal magnetpoler per rotordisk (antal magnetpoler = antal magneter)
sinuskurva
U ska vara lägre än 17 volt, men först lägger vi på 1,4 volt för likriktarbryggornas spänningsfall. Därefter dividerar vi 18,4 volt med 1,414 för att få fram växelspänningens rms-värde och det är den spänningen, 13 volt, som ska in i formeln.

Om generatorn ska Y-kopplas divideras N (antal lindningsvarv) med 1,732 (1,732 = kvadratroten ur 3), men detta gäller bara vid Y-koppling, inte D-koppling. Därefter divideras N med antalet spolar i en fas.

Gör man som formeln visar, märker man att teori och praktik inte alltid går hand i hand. Vad som får en avgörande betydelse i formeln är den magnetiska flödestätheten B, som i verkligheten kanske är mer än 0,5 Tesla. Vad som avgör värdet på B är magneternas tjocklek, luftgapet, samt magneternas styrka, vilken oftast är angiven i Gauss och där 10000 Gauss = 1 Tesla.
Den magnetiska flödestätheten brukar normalt beräknas ligga runt 0,5 T och detta gäller när luftgapet är lika stort som två magneters tjocklek tillsammans. Egentligen sägs värdet vara hälften av det värde som anges för magneten, så en magnet med värdet 12.200 Gauss, alltså 1,22 Tesla, bör ligga runt 0,6 Telsa, men en viss del försvinner i magnetiskt läckage mellan magneterna.

Nu kommer dessa generatorer inte alltid att ge ren sinusspänning, den kan vara något deformerad, men har man ett mätinstrument som kan mäta "True-rms", det sanna rms-värdet, får man ändå rätt värde. Har man inte det går det bra ändå och allt som kommer att hända är att den lilla avvikelsen resultera i att vattenhjulet inte uppnår full effekt vid önskat varvtal. Eftersom luftgapet på rotorskivorna går att justera det hela fininställas senare.


Y och D-koppling Stjärn-, eller Delta-koppling
Vad som skiljer Stjärn- och Delta-kopplingen (Y-, eller D-koppling) åt är att Y-koplingen ger 1,732 gånger högre spänning, medan D-kopplingen istället ger 1,732 (kvadratroten ur 3) gånger högre ström. Detta har att göra att en D-kopplad generator bara har en tredjedel så hög resistans som den Y-kopplade.
Om spolarna i en fas tillsammans har resistansen 0,6 ohm, kommer den totala resistansen i en Y-kopplad generator att vara 1,2 ohm. I en D-kopplad generator blir resistansen 1/3 av den stjärnkopplade generatorns resistans, alltså 0,4 ohm.


Statorns lindningar - Testspole och kontrollmätning.
Nu vet vi hur många lindningsvarv varje spole ska ha och det är dags att linda en testspole. Teorin stämmer sällan överrens med verkligheten, så detta är ett måste.
När spolen är lindad ska vi mäta spänningen över den och det gör vi direkt på de båda trådarna som sticker ut ur den. Eftersom koppartråden är lackerad måste lacket skrapas bort så att mätinstrumentet får ordentlig kontakt.

Om hela generatorn ska lämna 13 volt (rms) får vi först dividera med 1,732 om den färdiga generatorn ska Y-kopplas och därefter dividera med antal spolar. 13 volt / 1,732 / 3 spolar ger i så fall spänningen U = 2,5 volt över en spole. Ska generatorn däremot D-kopplas dividerar vi 13 med 3 vilket ger 4,33 volt.
Är det en Y-kopplad generator vi ska bygga och spänningen visar 5 volt vid 190 rpm, då får vi plocka bort häflten av varven från spolen.


Lindningstrådens diameter
För att räkna ut lindningstrådens diameter behöver vi veta vilken resistans generatorn ska ha. Eftersom vår generator ska ge 17 volt och 80 watt vid 190 prm, kan vi använda ohms lag för att räkna fram generatorns resistans.

R = U2/P = 172/80 = 144/287 = 3,6 ohm

Har vi också valt att Y-koppla generatorn, får vi halva den resistansen över en fas, alltså 1,8 ohm.

Innan vi kan räkna ut trådens area måste vi också veta hur många meter lindningstråd spolarna totalt innehåller i en fas. Detta får man mäta upp när man lindar spolarna, eller försöka räkna sig fram till. I det här exemplet säger vi att det krävs totalt 32 meter lindningstråd till tre spolar som utgör en fas.

Trådens area = 0,02 x trådens längd / resistans = 0,02 * 30 / 1,8 = 0,33 mm2

0,02 är resistiviteten för koppar. Egentligen anger man resistiviteten för koppar vid 15°C och då är den lägre, men vi räknar med 0,02 eftersom lindningarna kommer att bli lite varmare än så.

Sista steget blir sedan att räkna om trådens area till diameter, vilket man kan göra med formeln:



Skulle trådens diameter bli större än 1,6 mm blir den tjock och besvärlig att linda. Använd i så fall dubbla trådar "två trådar i handen" med mindre diameter. Multiplicera trådens diameter med 0,71 så ger det diametern för två trådar i handen. Skulle trådarnas diameter ändå hamna över 1,6 mm, muliplicera istället med 0,59 så ger det diametern för tre trådar.


Generatorberäkning
Kalkylatorn nedan innehåller samtliga dessa beräkningar och den kanske kan vara till hjälp när man prövar sig fram.

Obs! Använd punkt vid decimaltal, ej komma.
Lägg in värden:
Batterispänning:  12 V  24 V  48 V
Generatorns varvtal: rpm
Generatorns spänning: volt
Turbinens effekt: watt
Generatortyp:  1-fas  3-fas  5-fas
Y-, eller D-kopplad: Y D
Antal magneter/rotor: st
Magnetens längd: mm
Magnetens bredd: mm
Magnetens tjocklek: mm
Resultat:
Antal spolar per fas: st
Totalt antal spolar: st
Trådens diameter: mm
Antal trådar i handen: st
Antal varv per spole: varv
Spänning/spole (Emk) volt
Generatorns resistans: ohm
Generatorns effekt: watt
Generatorns värmeförluster: watt
Generatorns verkningsgrad: %
Laddström till batteri: ampere
Effekt till batteri: watt