Wirbelstrombremse für Windgenerator

Dieses Thema im Forum "Elektrotechnik" wurde erstellt von manerio, 19 Dez. 2012.

  1. Hallo zusammen,

    Ich studiere Mechatronik und scheibe im Moment meine Bakk-Arbeit zum Thema "Bremsvorrichtung für einen Windgenerator"

    Dabei hab ich keinen Zugang auf das vorhandene System. Soll heißen, ich kann keine vorhanden Komponenten verändern. Ich habe lediglich Zugang zur Welle, an der ich meine Bremse anbringen kann.

    Meine Lösung ist nun eine Wirbelstrombremse:
    Ich habe Leistungsdaten vom Windgenerator. Dieser hat eine maximale elektrische Leistung von 6.2kW bei 14\frac{m}{s} Wind. Ab eben diesen 14\frac{m}{s} soll ich die Umdrehungen der Welle konstant auf 400\frac{U}{min} halten. Davor steigt die \frac{U}{min} annähernd linear an.

    Nach Betz ist der "ideale Leistungsbeiwert" c_{p} = 59.3% . Also habe ich eine eine maximale mechanische Leistung von 8.8kW, ab der ich zu bremsen beginnen muss

    Dabei stehe ich aber vor dem Problem, dass ich nicht wirklich weiß wie ich die Bremse auslegen soll.



    für jedene Hilfe bin ich dankbar

    lg
    manerio
     
  2. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Hallo!

    Tante Google liefert dazu unter anderem diesen Beitrag!

    http://www.haack-ingenieur-buero.de/215-227_EML_17-06-05.pdf

    Muß die Bremse nur die Energie abfangen die durch zuviel Wind entsteht, oder bei Ausfall des Generators auch die dann anstehende Windenergie?

    Bei 400 U/min und 8,8 kW mech. Leistung hast du ein Drehmoment von M=P*9550 / n = 8,8 kW * 9550 / 400 U/min = 210 Nm!

    Jetzt bin ich mir aber nicht sicher, ob doppelte Drehzahl = doppeltes Moment bedeutet, oder ob die Sache quadratisch (Lüfterkennlinie) abläuft!?

    Im ersten Fall müßte die Bremse bei doppelter Drehzahl (Windgeschwindigkeit) demzufolge 210 Nm aufnehmen.
    Wie groß kann denn deine Bremsscheibe im Durchmesser werden? Je größer je besser! Zum einen wegen der Kühlung und zum anderen wegen der erforderlichen Magnetkraft.

    Das ist aber nur die Idee eines Laien auf diesem Gebiet!
    Genau so gut könnte man denke ich mit einer Fliehkraftbremse arbeiten, bei der mit zunehmender Drehzahl federbehaftete Gewichte, durch die Fliehkraft, nach außen gedrückt werden. Das würde die Welle ebenfalls bremsen. Siehe Pirouette beim Eiskunstlauf! Arme gestreckt = langsame, Arme am Körper = schnelle Drehung.
     
  3. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Hallo und danke für deine Antwort.

    Zur Fliehkraftbremse, daran hab ich auch gedacht, und wollte auch eine solche konstruieren, aber der Prof. bezweifelt es, dass die den Dauerbetrieb aushält, darum die Idee mit der Wirbelstrombremse.

    Bauraum bin ich radial ziemlich flexibel, axial bin ich da mehr eingeschränkt. Abgebremst soll bzw. muss nur bei zu viel Wind bis zu einer maximalen Windgeschwindigkeit von ca.50\frac{m}{s}. Sollte der Generator ausfallen oder der Wind zu stark werden, so soll oder kann eine andere Bremse das abfangen. Dabei dachte ich an eine ganz banale Scheiben oder Trommelbremse.

    Danke für das Dokument, das hab ich zwar auch schon gefunden, und überflogen gehabt, aber offensichtlich zu schnell überflogen, denn das scheint wirklich hilfreich zu sein.

    Nochmal zur Fleihkraftbremse. Der Prof meinte, wenn ich ihm ein Anwendungsfall für eine Fliehkraftbremse im Dauerbetrieb nennen kann, dann lässt er das gelten. Kannst du, oder irgendjemand anders mir so einen Anwendungsfall nennen? Auch da habe ich google schon gequält, aber nicht wirklich auf ein Ergebnis gekommen.


    lg
    manerio
     
  4. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Eine Bremse, die mit Reibung funktioniert, wird Wärme erzeugen. Irgendwann schmurgelt die weg. Für Dauerabbremsung völlig ungeeignet - eher für eine Notbremsung bis zum Stillstand - das ist begrenzt.

    Dauerbremseinrichtungen könnten Turbinenräder in Flüssigkeit sein - die umlaufende "Bremsflüssigkeit" kann durch einen Kühler gepumpt werden.

    Wirbelstrombremsen mit Elektromagneten sind auch nicht so der grosse Wurf - die Bremsspulen werden auch warm mit der Zeit und das nicht zu knapp.

    Teuer und richtig genial sind Wirbelstrombremsen mit Permanentmagneten. Durch mechanisches Umlegen des Jochs kann der Magnet "kurzgeschlossen" werden, so dass die Feldlinien nicht durch den Rotor laufen, oder wahlweise durch den Rotor geleitet werden. Somit ist keine weitere Energiezufuhr zur Bremsung nötig.
    Nachteil: schlechte Regelbarkeit - AN oder AUS
     
  5. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Auf einen (Wind-)Generator eine Wirbelstrombremse draufzubauen, ist so notwendig wie ein Kropf:
    Eine Synchron- oder Asynchronmaschine IST bereits eine wunderbare Bremse!

    Synchronmaschinen bremst man,
    indem man die generatorisch erzeugte elektrische Energie an Bremswiderständen verheizt.

    Asynchronmaschinen bremst man, indem man die Feldwicklung mit Gleichspannung versorgt;
    auch da wird die mechnische Energie in Wärme umgewandelt
    und zwar bei der Schleifringläufermaschine in externen Bremswiderständen,
    die an den Bürsten hängen oder beim Kurzschlussläufer im Rotor.

    Beides ist wunderbar dosierbar -sanft bis radikal- und sehr billig zu realisieren,
    jedoch nicht als Feststellbremse geeignet:
    Bei sehr niedrigen Drehzahlen bzw. im Stillstand funktionieren die nicht
    und müssen durch eine winzige mechanische Bremse ergänzt werden.
     
  6. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Hier stellt sich allerdings noch immer die Abwärmeüberlegung - im Dynamobetrieb über 90% elektrischer Wirkungsgrad und im Bremsbetrieb über 90% mechanischer Wirkungsgrad - beides in einem Aggregat ökonomisch umzusetzen ist glaube ich nicht sinnvoll.

    Nach stundenlangem Bremsen im Sturm soll das Teil ja nicht wegschmurgeln - da sehe ich bei der "Motorbremsung" gewisse Risiken.

    Vielleicht wäre es auch schön, wenn der Generator weiterproduziert und nur das was zuviel an Wind bläst, weggebremst wird.

    Ein zweites mechanisches Bremssystem würde ich aus Sicherheitsgründen ohnehin dazuempfehlen - aber nicht in winzig und billig, sondern so, dass es bei Sturm den Rotor allein zum Stillstand bringen kann, ohne dass es Rauchzeichen abgibt.
     
  7. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Der Generator soll zwischen 14\frac{m}{s} und ~30\frac{m}{s} Strom erzeugen. Ab 14\frac{m}{s} muss eben die Drehzahl der Welle gedrosselt werden.

    Das Referenzsystem hat eine Ausgangsspannung von 12V DC. Also gehe ich davon aus, dass es sich beim Generator um eine Gleichstrommaschine handelt.

    Was wirklich hohe Windgeschwindigkeiten angeht, ist es klar, dass das irgendwie abgesichert werden muss, dabei sehe ich aber nicht das Problem, da diese Bremsung nicht geregelt, von statten gehen muss. ab einer Windgeschwindigkeit von über 30\frac{m}{s} wird diese einfach aktiviert.
     
  8. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Duster glaube ich mich zu erinnern, dass die von Windrädern gewonnene Leistung mit der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt.
    Bei Starkwind würden Windräder deshalb das gesamte System mechanisch exzessiv be- bzw. sogar um Zehnerpotenzen überlasten.
    Die "überschüssige" Energie wegzubremsen und das System dadurch zu regeln, ist somit nicht sinnvoll möglich,
    da z.B. die Biegebelastungen auf Flügel und Mast dadurch nicht verringert würden.

    Damit diese hohen mechanischen Belastung erst gar nicht entstehen,
    wird deshalb JEDES Windgeneratorsystem so konstruiert, dass es mechanisch abgeregelt wird;
    dazu werden 4 Verfahren angewendet:
    1. Rotorblattverstellung (ist auch zum Bremsen geeignet)
    2. das Windrad aus dem Wind drehen
    3. oder kippen
    4. aerodynamische Gestaltung der Flügel,
    sodass ab einer gewissen Windgeschwindigkeit eine drastische Wirkungsgradverschlechterung durch Turbulenz entsteht.​

    In allen vier Fällen wird der Generator fröhlich weiterliefern, nur bei 3 u.U. nicht.

    Wenn das eine Gleichstrommaschine ist,
    sind alle 4 mechanischen Regelungen anwendbar
    und bremsen kann man die mit externen Bremswiderständen wunderbar.
     
  9. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Hallo!

    Die Rahmenbedingungen hat manerio ja klar abgesteckt!

    * kein Zugang zum System
    * nur Zugang zu einem stück Welle

    Somit fallen ja schon die Verfahren 1 und 4 von Peter weg. Verfahren 2 und 3 sind nur geeignet um die Anlage mehr oder weniger abzuschalten.
    Die Aufgabenstellung lautet aber nun mal die Drehzahl auf max. 400 U/min zu begrenzen wozu ja eine Wirbelstrombremsung erstmal nicht ungeeignet erscheint.
    Statt der Scheibe für die Wirbelstrombremse könnte man auch eine Riemenscheibe nehmen und die Drehzahl auf einen zweiten Generator leiten, der die überschüssige mech. Energie in zusätzlichen Strom umwandelt.
    Mit 8,8 kW mech. Leistung ist die Anlage ja auch sicher nicht sehr groß, was Platzprobleme schafft!
     
  10. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Die von mir beschriebenen Verfahren 2 und 3 sind NICHT nur geeignet, um die Anlage abzuschalten:
    Damit kann man durchaus auch abregeln - man dreht den Rotor eben nicht GANZ aus dem Wind!


    Die Rahmenbedingungen, die manerio klar abgesteckt hat,
    sind eben genauso ein Humbug,
    wie wenn man auf ein Fahrrad zwei ZUSÄTZLICHE Leute zum Bremsen setzen würde:
    Einen für die Vorderradbremse, einen für die Hinterradbremse.
    o_O
    Dabei sind die Größenordnungen in diesem Fall noch weit günstiger als beim Windgenerator:
    Wenn wir den Rotor so auslegen, dass der seine 8,8 kW
    schon bei Windgeschwindigkeiten von sagen wir mal 20 km/h liefert (was durchaus Sinn macht),
    müssten wir bei Windgeschwindigkeiten von 200 km/h (dem oft auftretenden 10fachen Wert)
    bereits das TAUSENDFACHE der 8,8 kW in der Bremse in Wärme verwandeln:
    satte 8,8 MEGA-Watt
    Alternativ könnte man den Rotor auch für die 100 km/h dimensionieren;
    nur liefert der Generator dann halt nur vielleicht 3 Wochen im Jahr Strom
    und wenn´s mal einen 200 km/h-Sturm hat (dem doppelten Wert),
    müsste man die 2³-1-fache Nennleistung verbremsen: ca. 62 kW,
    bei möglichen 300 km/h verbemsten wir schon 229 kW.
    Dabei müssen wir Flügel, Welle, Lager und Mast auf derartig hohe Werte auslegen
    und bekommen weiterhin unsere nebbichen 8,8 kW vom Generator ...
    ... zumindest 3 Wochen im Jahr halt.
    o_O
    Auch die Regelung des 8,8 kW-Generators durch parallelschalten eines 1/4-Megawatt-Generators
    ist nicht wirklich das, was man sich unter einer praktikablen Lösung vorstellt.

    Der Hund an der Sache ist eben, dass der unseelige Wind so ungleichmäßg bläst
    und ein Propeller das potenziert in mechanische Leistung umgesetzt wird.
     
  11. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Danke nochmal für eure Antworten.

    Ich sehe momentan aber ein riesen Problem, ich habe mich was die Einschätzung der mechanischen Leistung angeht, total verhauen. Was Leistungskurve die ich angehängt habe zeigt. Ich bin von einem konstanten Wirkungsgrad des Generators ausgegangen, leider ein Wunschdenken.
    Da die Windgeschwindigkeit einen kubischen Einfluss auf die mechanische Leistung hat, bin ich schon sehr bald in einem Bereich, in dem ich die mehrere kW vernichten müsste.

    Ich müsste wie der zweite Graph zeigt bei 15m/s Wind 35kW in einer Bremse vernichten.

    Das ist doch eindeutig zu viel oder?
     

    Anhänge:

  12. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Aha:
    Er hat´s kapiert!
    :D
     
  13. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    @peter

    Ich schreibe da im Forum "der angehende Techniker". Fehler zu machen sei mir erlaubt, vorallem weil ich selber, und ohne deiner Hilfe diesen Fehler entdeckt habe. Vom kubischen Einfluss der Windgeschwindigkeit war nämlich bisher nie die Rede. Du hast nur gemeint, ich solle den Generator auch als Motor betreiben. Das ist gelinde gesagt ebenso unnötig wie ein Kropf, wie eine Fliehkraftbremse oder Wirbelstrombremse. Ich kann nicht 35kW in einem Generator verbraten, der einen Nennleistung von 5kW hat.

    Find ich irgendwie traurig, wie du mich behandelst, als wäre ich der letzte Trottel. Noch schlimmer finde ich es, dass du dann zusätzlich noch Moderator bist.
     
  14. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Hallo Manerio,
    es tut mir leid, dass du das so verstanden hast:
    Ich wollte dich aber ganz sicher NICHT als Trottel darstellen,
    sondern auf einen elemantaren Fehler in den Eingangsbedingungen aufmerksam machen.

    Wenn du meine Beiträge jedoch aufmerksamer gelesen hättest,
    dann hättest du den Fehler schon früher -nur halt MIT meiner Hilfe- entdeckt:
    Von "Motorbetrieb" hab ich nichts geschrieben;
    DYNAMISCH, d.h. zum Runterbremsen kann man elektrische Maschinen ERHEBLICH überlasten,
    aber wie ich weiters geschrieben habe,
    geht´s einfach nicht ohne mechanische Regelung, die bereits am Propeller eingreift.

    Aber das macht ja nichts,
    Fehler machen wir ALLE (auch die alten Hasen) und so darf es mich doch freuen,
    dass meine Erklärungen letzten Endes doch noch gefruchtet haben
    und du dich meiner Meinung angeschlossen hast.
     
  15. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    ok, dann muss ich mich wohl wieder entschuldigen, ist oft schwer übers etwas geschriebenes festzustellen, was der Schreibende damit wirklich erreichen wollte. Stünde man demjenigen gegenüber wäre das erheblich leichter.

    aber back to topic:

    Da ich, wie ich Eingangs geschrieben habe, kein Zugriff auf das vorhandene System habe, und eine Bremse egal welcher Art letztendlich ausscheidet, bleibt mir eigentlich nur noch das aus dem Wind drehen übrig, damit ich den druchströmten Querschnitt verkleinere. Da dabei aber trotzdem noch die Windgeschwindigkeit einen kubischen Einfluss hat, ist das auch nur bedingt sinnvoll.

    Nochmal zum Generator. Wie würde ich da die Energie verbrennen? Das ist mir nicht wirklich klar, wie du das gemeint hast
     
    #16 manerio, 21 Dez. 2012
    Zuletzt bearbeitet: 21 Dez. 2012
  16. AW: Wirbelstrombremse für Windgenerator

    Ersteres ja,
    zweiteres nein:
    Durch das Aus-dem-Wind-drehen verkleinerst du den wirksamen Querschnitt drastisch
    und kannst damit den kubischen Leistungsanstieg kompensieren
    oder sogar komplett abschalten.


    Nochmal zum Generator.
    Wenn man mit einer elektrischen Maschine bremst, wandelt die mechanische Energie in elektrische um.
    Diese kann man in ein Netz einspeisen oder muss die als I²R verheizen;
    letzteres kann IN der Maschine oder EXTERN an Bremswiderständen geschehen.
     

Diese Seite empfehlen