Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék

5/1. melléklet Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék Villamosmérnöki szak Villamos energetika szakirány Kis teljesítményű szigetüzemű szélgenerátor háztartási energia felhasználásra Szakdolgozat Eckl Bence E9X19W 2014 1

Tartalom Tartalom... 2 1. BEVEZETÉS... 4 2. SZAKIRODALOM TANULMÁNYOZÁSA... 5 2.1 A szélkerék működési elve:... 5 2.2 A szélkerék általános paraméterei:... 8 2.3 Egyenáramú generátorok tulajdonságai... 9 2.4 Váltakozó áramú generátorok tulajdonságai... 9 2.5 A szélerőművek nemzetgazdasági hatása... 10 3. SZÉLGENERÁTOROK MŰKÖDÉSI ELVE, MÉRETEZÉSE... 10 3.1 Állandó mágneses szélgenerátor működési elve... 10 3.2 Szélgenerátor méretezése... 12 4. ENERGIAFOGYASZTÓK KIVÁLASZTÁSA, TELJESÍTMÉNY ÉS VILLAMOS ENERGIA JELLEMZŐINEK MEGHATÁROZÁSA... 14 4.1 A nyári időszakban alkalmazott fogyasztók... 14 4.2 Téli időszakban, vagy fűtési szezonban üzemeltetni kívánt fogyasztó... 15 4.3 Segédüzemi rendszer teljesítményigénye... 16 5. KÖZTES ENERGIATÁROLÓ KIVÁLASZTÁSA, MÉRETEZÉSE... 17 5.1 Az akkumulátoros teleprendszer... 18 5.2 Az akkumulátorokat összekötő vezetékek kiválasztása... 20 6. ILLESZTŐ, SZABÁLYOZÓ ÉS VÉDELMI ÁRAMKÖRÖK TERVEZÉSE, TERVDOKUMENTÁCIÓ ELKÉSZÍTÉSE... 21 6.1 Az illesztő szabályozó áramkörök elvi felépítése, vezérlési blokk bemutatása... 21 6.1.1 A szélenergiát átalakító rendszer... 21 6.1.2 A generátor villamos jellemzői... 22 6.1.3 Mechanikai és villamos védelmek ismertetése... 22 6.1.4 Az üzemszerű terhelésrákapcsolás... 23 6.2.1 Háromszög jelalak előállítása... 27 6.2.2 Az optocsatoló, és a teljesítmény félvezetőt meghajtó áramkörök bemutatása... 30 7. GYAKORLATI MEGVALÓSÍTÁS, TESZTELÉS... 35 7.1. A generátor és szélturbina gépcsoport megvalósítása... 35 7.2 A generátor fontosabb paramétereinek meghatározása méréssel... 36 7.3 A túlpörgés és túlfeszültség elleni védelem megvalósítása... 37 7.4 A terheléskapcsoló automatika megvalósítása... 38 2

7.5 A töltésvezérlő áramkör megvalósítása, a helyes működés visszaigazolása méréssel... 39 8. KÖVETKEZTETÉSEK... 47 9. ÖSSZEFOGLALÁS... 49 10. SUMMARY... 50 11. IRODALOM JEGYZÉK... 51 12. MELLÉKLETEK... 52 3

1. BEVEZETÉS A témaválasztást egy egyszerű szükséghelyzet adta. A magas gáz árak mellett szükség van valamilyen alternatívára, amely besegít, esetleg teljes egészében kiváltja a gázfogyasztást. A lakókörnyezetünkben lévő terepviszonyok megfelelőnek bizonyultak egy szélgenerátoros rendszer felépítéséhez. Az általam választott téma rendkívül fontos napjainkban. A megújuló energiaforrások térhódítása egyre nagyobb. Mára már elképzelhetetlen egy modern táj szélerőmű, vagy napelemes rendszer nélkül. Ezen rendszerek létrehozása azért szükséges, hogy a mindennapok energiaigényét decentralizált módon, egyszerű magánszemélyek is elő tudják állítani. Számomra a fő feladat, egy hatékony, olcsó, de megbízható villamosenergia-előállító rendszer megalkotása. A szél energiáját hasznosítva, különböző szabályozó áramkörök segítségével állandó energiát biztosítva az adott háztartásnak. A megtermelt villamos energiát téli időszakban fűtésre, nyári időszakban hűtésre, és egyéb elektromos háztartási berendezések működtetéséhez használom fel. Az egység 4 kilowatt villamos energiát képes majd előállítani, mely közvetlenül csatlakozik egy feszültség átalakító eszközre. Fontos egységet képez még a 48 V-os akkumulátor teleprendszer, melyet nagy kapacitású ólomsav akkumulátorok képeznek. Az akkumulátor telep párhuzamosan csatlakozik a rendszerhez, melynek a végén egy egyfázisú inverter állítja elő a váltakozó feszültséget. Az inverter kimenetén egy transzformátor állítja be nekünk a 230 V-os feszültséget, melynek teljesítménye 4 kva. Az áramköri elemek gondos megtervezése és illesztése, kulcsfontosságú. Ezt elősegítendő szimulációs programokat alkalmazok az áramkörök viselkedésének pontosabb megismeréséhez, majd ezek megtervezéséhez. A szimulációk után teszt áramkörök kerülnek megépítésre. Ezeken a működés megértéséhhez szükséges méréseket elvégzem és a szükséges fejlesztési feladatokat megfogalmazom. A feladat megvalósításától várom egy automata módon működő rendszer létrejöttét, amely képes lekezelni az esetleges üzemállapot változásokat, hibákat, időjárási körülmények változását. A megvalósítást és a kivitelezést egyaránt magam végzem. A dolgozatban megjelennek a létrehozott áramkörök, a rendszer működés közbeni viselkedésének leírása, és természetesen a későbbiekben szükséges fejlesztési ötletek. Ha valóban működőképes a rendszer, és költséghatékonyabb a rendszer, mint jelenlegi versenytársai elterjedését semmi nem akadályozza. Innentől fogva gondolkodhatunk 4

rendszerszintű összekapcsolásban. Ezek együttműködve éppen oda termelnek energiát, ahova éppen kell. Ezen gondolatok természetesen csak szigetüzemben valósíthatók meg. A hálózatra kapcsolás rendkívül költséges, és hosszútávon nem is jövedelmező. Az összekapcsolt egységeket mindenképp kisebb utcák, szomszédos családi házak ellátására célszerű kooperálni. A végső célom, hogy az általam kigondolt és megalkotott szélturbinás energiaegység tervezéséhez és kivitelezéséhez szükséges munkámról egy átfogó leírást adhassak. Az eredményeket méréssel igazolva alátámaszthassam, és a megtervezett vezérlő áramkörökről a tervdokumentációt elkészítsem. 2. SZAKIRODALOM TANULMÁNYOZÁSA A szél, mint energiaforrás az idők kezdete óta megtalálható a Földön. Már az ókori kultúrák is hasznosították a szélenergiát a termény feldolgozására, vagy a kutakból való víz felhozatalára. Igazi áttörés azonban a 19. század elején történt. A villamos energia felhasználása egyre nagyobb teret hódított és elkezdődtek a törekvések egy hatékonyabb energia előállítási rendszer létrehozására. 2.1 A szélkerék működési elve: Az áramlási térbe helyezett rotor tengelye azonos az áramlás irányával, a keresztmetszete A. A rotor előtt az áramlás sebessége v 1. Ha a rotor tengelyéről energiát veszünk le, a levegő sebessége lecsökken, hiszen mozgási energiájából veszít, s a levegő sebessége v 2 lesz. 1. ábra. A rotoron átáramló szél áramlási viszonyai [1] 5

A rotoron átáramló levegőre érvényes a Bernoulli törvénye: (1) Az A keresztmetszetű rotor tengelyén levehető maximális teljesítmény a következő összefüggés szerint számítható: (2) A lapátra ható erők: 2. ábra. A lapátra ható erők ábrázolása [1] A rotor lapátjai általában szárny keresztmetszetűek. A szárnyprofilú lapátra ható erők és a szélirányok x-y koordináta rendszerben A V szélbe helyezett szárnyelemre df nagyságú erő hat, amelyet praktikusan szélirányú (df V ) és szélre merőleges (df E ) komponensekre bonthatunk. A df a felhajtóerő, amely a szárnyat emeli, s annak y irányú komponense (df Ey ) a forgási síkban igyekszik a 6

lapátot elmozgatni és hasznos forgató nyomatékot képez, míg (df Vy ) a szárny ellenállása, amelyet a légárammal szemben kifejt. A szélirányú komponensek (df Vx és df Ex ) a lapátra hajlító nyomatékot fejtenek ki. Energetikai szempontból nyílván az előnyös, ha a forgási irányba mutató komponense minél nagyobb. A profilirány szaggatott vonala és az elmozdulás iránya közötti szög (β) a lapátszög, s következésképpen a minél kisebb értékei kívánatosak. A szárnyprofilokat általában kísérleti úton állítják elő és szélcsatornában vizsgálják tulajdonságaikat. Jellemzésükre a felhajtóerő-tényező, az ellenállás-tényező és a siklószám használatos. A megfújás szöge (α), a lapátkeresztmetszet profilirányának szaggatott vonala és a tényleges szélirány (V), valamint a kerületi sebesség (V U ) vektorai által meghatározott látszólagos szélirány (V r ) által bezárt szög. A szél lapáton történő átáramlásának eredményeként a kilépő szélnek tangenciális komponense is van, ami azt bizonyítja, hogy a rotor megcsavarja a szelet. A szél energiáját akkor tudjuk kihasználni maximálisan, ha sebessége a lapátokon egyharmadára csökken. A különféle szélerőgépeket az un. gyorsjárási tényezővel különböztetjük meg egymástól. A gyorsjárási tényező (a teljes rotorra vonatkoztatva): Azaz a rotor legkülső pontján a kerületi sebesség és a szélsebesség viszonyszáma. A teljesítménytényezőből következtethetünk a nyomatéktényező (c M ) karakterisztikára is, mivel: (3) c M ismeretében a névleges nyomaték: (4) 7

3. Ábra. A teljesítménytényező és a nyomatéktényező változása a gyorsjárási tényező függvényében. [1] Érdemes megfigyelni, hogy a gyorsjárású rotorokkal lényegesen jobb teljesítménytényező érhető el, míg a lassújárású rotorok nyomatéktényezője igen kedvező. 2.2 A szélkerék általános paraméterei: A szélkerekeknél szokásos megadni bizonyos paramétereket, melyek utalnak formai tényezőikre, és jövőbeli működésükre. Ilyen paraméterek: a.) Rotor átmérő b.) Súly c.) indulási sebesség d.) maximális sebesség e.) hatásfok (maximum: 59.6%) f.) névleges teljesítmény Természetesen minden tulajdonságot figyelembe kell venni egy adott rendszer elkészítésekor, ugyanis nagyban függ a rendszer optimális működése a szélkerék helyes megválasztásától. A szélkereket általában egy generátor tengelyéhez rögzítjük. Ennek a generátornak a kiválasztása is kulcsfontosságú. Generátorunk előállíthat egyen, vagy váltakozó feszültséget. 8

2.3 Egyenáramú generátorok tulajdonságai a.) b.) c.) d.) e.) Névleges feszültség (névleges szélsebességen előállított kapocsfeszültség) Névleges áram (a tekercseken átfolyó maximális áram melegedés nélkül végtelen ideig Névleges teljesítmény (a névleges áram és feszültség szorzata) Forgórész és állórész szerkezete (tekercsrendszerek kapcsolása) Névleges fordulatszám (általában 500.900 RPM) 2.4 Váltakozó áramú generátorok tulajdonságai Megegyezik az egyenáramú generátor tulajdonságaival, de a forgórész állandó mágneseket tartalmaz. Így a forgórészt nem kell gerjesztenünk, ugyanis a gerjesztést a mágnesek képviselik. Mikor a mágnesek elhaladnak a tekercsek mellett, a tekercsekben feszültség indukálódik. A tekercsek kapcsolástechnikája pedig hasonló a szinkron generátorokéhoz. 120 -ban geometriailag eltolt tekercsrendszerben háromfázisú feszültség indukálódik. Az indukált feszültség nem teljesen szinuszos, mivel a szél sebessége sosem teljesen állandó. Bizonyos erősebb széllökések hatására kialakulhatnak kisebb feszültségcsúcsok, melyek próbára tehetik a tekercsek zománc szigetelését. 4. ábra. Az indukált feszültségek alakulása tekercsek kapcsain [1] Belátható, hogy az állandó mágneses szélgenerátorok alkalmazása sokkal hatékonyabb működést tesz lehetővé. Ez hosszútávon jövedelmező, viszont az ilyen generátoros rendszerek költségei jelentősen különböznek az egyenáramú rendszerekétől. Üzemeltetésük egészen hasonló, azonban a szükséges mágnesek piaci értéke viszonylag 9

magas. El kell döntenünk, hogy mi fontos számunkra, nagy teljesítménysűrűség kis térfogatban, vagy olcsóbb, rosszabb hatékonyságú eszközök üzemeltetése. 2.5 A szélerőművek nemzetgazdasági hatása A megújuló energiahordozók, köztük a szélenergia elterjedése számos pozitív hatással bírhat a nemzetgazdaság egészére. A főbb területek, ahol lényeges változások érhetők el: Fenntartható fejlődés és környezetvédelem, tiszta energia, légszennyezés csökkenése (CO2, kén, por, stb.) Energia importfüggőség csökkenése, energiapiaci diverzifikáció, fosszilis energiahordozóktól való függőség csökkenése, Hosszú távú ellátásbiztonság javulása, a termelés földrajzi diverzifikációja, szállítási veszteségek csökkenése. Számítások szerint minden 100 MW plusz beépített szélerőmű-kapacitás, mai árakon számolva, 61 millió m 3 földgázt (piaci értéke kb.4,3 milliárd Ft), illetve 126 ezer tonna CO 2 -t (piaci értéke 540 millió Ft) válthat ki. A szélerőművek hátrányaként jellemzően az okozott környezeti hatások (zaj, madarak veszélyeztetése, tájkép), a viszonylag alacsony átlagos kihasználtság, a magas termelési költségek, illetve az előrejelzési és rendszerszabályozási kérdések merülhetnek fel a penetrációtól függő mértékben. A nemzetgazdasági előnyök minél szélesebb körű érvényesüléséhez átlátható, stabil szabályozási keretre van szükség, amely további beruházások megvalósítását ösztönzi, szem előtt tartva az esetleges akadályok lebontását, a hátrányok minimalizálását. 3. SZÉLGENERÁTOROK MŰKÖDÉSI ELVE, MÉRETEZÉSE A szélgenerátorok tárgyalásánál figyelembe kell venni, hogy milyen felépítésű az adott szélgenerátor (állandó mágneses, tekercsgerjesztésű). Mivel dolgozatom fő témája az állandó mágneses szélgenerátor alkalmazására épül, ezért ennek működési elvét és méretezését a továbbiakban ismertetem. 3.1 Állandó mágneses szélgenerátor működési elve Felépítése hasonló a szinkron gépéhez, azonban itt nem szükséges a gerjesztés külön feszültségforrásról. A gerjesztést ebben az esetben a mágnesek adják. 10

Forgó mágnes Állórész tekercs Lágyvas 5. ábra. Váltakozó feszültséget előállító generátor elvi felépítése [2] Az ábrán látható mágnest megforgatjuk egy tengely körül, és ez az állórészen lévő tekercsekben feszültséget indukál. A feszültség szinuszosan, változik a kapcsokon. Az indukált feszültséget felírhatjuk az alábbi összefüggés szerint: U i = N dφ dt Az egyenletben U i az indukált feszültség, N a tekercsek menetszáma, Φ a fluxus t az idő. Ha elhelyezünk három tekercset, és a tekercseket 120 -ban eltoljuk egymáshoz képest, majd több mágnest helyezünk el a forgórészen, akkor megkaphatjuk a háromfázisú váltakozó áramú generátor felépítését. (5) 6. ábra. Állandó mágneses generátor forgórészének elvi felépítése [2] (az állórész és az egyenirányító kapcsolása) 11

Az állórész tekercsein háromfázisú szinuszosan váltakozó feszültséget kapunk. Ahhoz, hogy az indukált feszültséget pontosan meghatározzuk, ismernünk kell generátorunk paramétereit.(gépállandó, fluxus maximális nagysága stb.) A következő összefüggés szerint meghatározható az indukált feszültség: U i = C φ n (6) Ahol U i az indukált feszültség, C a gépre jellemző gép állandó, mely függ a tekercselési tényezőtől, a pólusok számától, és a forgórész kiképzésétől, Φ a fluxus, és n a gép pillanatnyi fordulatszáma. Ez a fordulatszám szélgenerátorok esetében 500-900 fordulatot jelent percenként. Mivel a generátorunkat elsősorban akkumulátorok töltésére szeretnénk használni, ezért valamilyen módon, a kapcsokon lévő feszültséget egyen jellé kell alakítani. Ezt végezhetjük egyszerű diódákkal, tirisztorokkal, speciális esetben TRIAC félvezető eszközökkel. A továbbiakban háztartási felhasználásra alkalmas felépítményeket és rendszereket tárgyalok. A generátorunkat minden esetben szélenergia átalakítására szeretnénk alkalmazni ezért célszerű a lehető legmagasabb helyen elhelyezni. Erre a célra könnyű alumínium oszlopokat használunk. A hatóság nem köti engedélyhez a 6 méter alatti felépítmények építését, ezért a maximális magasság ahol elhelyezhetünk egy házi célra szánt szélerőgépet, az 4-4,5 méter lapátátmérőtől függően. Rögzítése nagy szakítószilárdságú alumínium sodronnyal történik négy irányból. Ez elengedhetetlen a biztonságos üzemhez. Szintén nagyon fontos az ilyen speciális rendszerekhez a gépünk méretezése, ugyanis különböző méretezési eljárások alkalmazásával energiát és pénzt takaríthatunk meg. 3.2 Szélgenerátor méretezése Elsőként figyelembe kell vennünk, hogy milyen célra szeretnénk generátorunkat felhasználni, majd azt nézzük meg, hogy megéri-e nekünk az egész kivitelezése. Általában az ilyen rendszerek megépítését megelőzi, egy több hónapon át tartó szélviszony felmérés, majd ezt követően a mért adatok alapján meghatározzuk a szélkerekünk körülbelüli paramétereit. A szélsebesség függvényében adják meg általában a szélgenerátor teljesítményeit. Erre példa: 12

Teljesítmény jelleggörbe Teljesítmény 7. ábra. Várható teljesítmény [W], szélsebesség [m/s] karakterisztika [3] Az ábra egy 1 méter átmérőjű szélkerék karakterisztikáját mutatja. A generátorunk egy 300 W teljesítményű DC generátor. A szélkerék teljesítményét meghatározó egyenlet: P = 0,5 ρ A v 3 η (7) Ahol P a szélkerék teljesítménye, ρ = 1,29 kg/m 3 a levegő sűrűsége, A = r 2 π a lapátok által súrolt terület mérete (r a lapátok hossza,), v a szél sebessége, amely mellett a pillanatnyi teljesítményt meghatározzuk, η a szélkerék hatásfoka (maximálisan: 59,26%). Ha nálunk a szél átlagos sebessége mondjuk 8 m/s, és már ezen a sebességen szeretnék, hogy névleges teljesítményt szolgáltasson, növeljük a lapát átmérőt. Természetesen a gyakorlati határokon belül kell maradnunk. Ha a lapát átmérőt megnöveljük 2 méterre a névleges teljesítményünk elérhető már 8 m/s szélsebességen. Azonban figyelembe kell vennünk, hogy a szélkerék nagyobb felületen érintkezik a levegővel. Ez azt eredményezi, hogy sérülékenyebb lesz a rendszerünk, nagy szélerősség hatására tönkre is mehet a rendszerünk. Sőt a nagyobb átmérő miatt azonos fordulaton a lapátvégek sebessége meghaladja a biztonságos értéket, mi több a rendszer kiegyensúlyozatlanság miatt elkezd rezegni, majd annyira felgyorsul, hogy szétesik. A lapátok kiválasztásakor figyelembe kell vennünk az átlagos szélsebesség nagyságát a telepítési helyen, a maximális szélsebességet, a mechanikai terhelés szempontjából a lapát anyagát és nem utolsó sorban a generátorunk névleges teljesítményét. A lényeg, hogy találjunk egy optimális megoldást ahol a rendszer biztonságosan és gazdaságosan működik. 13

A hatékony működéshez szükségünk van még egy szélirányba állító farokra, amely változó szélirányok esetén is irányba állítja szélgenerátorunkat. 4. ENERGIAFOGYASZTÓK KIVÁLASZTÁSA, TELJESÍTMÉNY ÉS VILLAMOS ENERGIA JELLEMZŐINEK MEGHATÁROZÁSA Hatékony energia-felhasználó berendezés megválasztása rendkívül fontos feladat. Szem előtt kell tartanunk azt a tényt, hogy sokféle eszköz használata problémát jelenthet anyagi szempontból a rendszer tervezésénél. Gondolok itt arra, hogy különböző fogyasztóknak, különböző teljesítmény igénye van, melyek befolyásolják egy ilyen rendszer harmonikus tartalmát, üzembiztosságát, és terhelhetőségét. A fűtés minden háztartás legnagyobb problémája anyagi szempontból. Nyilván az energia előállítás pénzbe kerül és ezért fizetnünk kell, de mi van akkor, ha mi saját magunk szeretnénk előállítani azt az energiát, amit felhasználunk. Korlátlan előállítás persze nem lehetséges, ez azonban arra ösztönöz minket, hogy hatékonyabban, takarékosabban használjuk fel a rendelkezésre álló energiánkat. Az megtermelt energia felhasználása két fő időszakra bontható. Nyári időszakra, mikor a háztartásnak nincs szüksége fűtésre, és téli időszakra vagy a fűtésszezon kezdetére. A működtetni kívánt fogyasztókat ennek a ténynek a függvényében ismertetem. 4.1 A nyári időszakban alkalmazott fogyasztók Ide tartozik lényegében minden olyan fogyasztó, amelynek nincs szüksége tökéletes 50 Hz frekvenciájú szinusz jelre. Ezek lehetnek telefontöltők, laptop töltők, világítástechnikai berendezések, konyhai robotgépek. Nézzük őket sorban. A telefontöltők általában kapcsoló üzemű tápegységet tartalmaznak, és kimenetükön egyenfeszültséget állítanak elő. Áramfelvételük 5 és 10 ma között van 230 V-on. A bemeneti jelalaknak nem szükséges szinusznak lennie. Így tehát alkalmazható szigetüzemű energiahálózatunkon. A laptop töltők ugyancsak ebbe a kategóriába sorolhatók. Világítástechnikai berendezések terén már kicsit más a helyzet. Esetünkben a hálózatunkon egyszerű izzószálas fényforrásokat használunk. Ezek rezisztív terhelést képviselnek, induktivitásuk elhanyagolható értékű, azonban szükségük van egy bizonyos, a gyártó által megadott feszültségszint meglétére. Így az izzókat csak abban 14

az esetben alkalmazhatjuk, ha a feszültségszint stabil a hálózatunkon, ellenkező esetben az izzók gyors tönkremenetele elkerülhetetlen. A konyhai robotgépek általában viszonylag nagy teljesítményű forgó mozgást végző villamos gépek. A forgatáshoz azonban egyenirányított villamos energiát használnak. Innentől kezdve csak is a visszahatás szempontjából kell vizsgálnunk az üzemeltetni kívánt eszközt. A konyhai robotgépekben elhelyezett egyenirányítók többnyire diódás, vagy tirisztoros (fúrógép) egyenirányítók. Ezek harmonikusakat termelnek és megjelennek a hálózatunkon. Mivel ezek elhanyagolható értékűek a hálózatunk paraméterei szempontjából ezzel nem foglalkozunk. Tekintsük meg a következő táblázatot melyben összefoglaltam az üzemeltetni kívánt fogyasztók adatait. 1. táblázat. Nyári időszakban üzemeltetni kívánt fogyasztó típusok főbb adatai Töltő berendezések Világítástechnika Konyhai robotgépek Feszültségszint 230 V, 50 Hz 230 V, 50 Hz 230 V, 50 Hz Teljesítmény Igény 3-5 Watt 40-100 W 100-1200 W Terhelés jellege rezisztív, enyhén rezisztív reziszív, induktív kapacitív Üzemeltetési idő 4-8 óra 25-50 perc 5-10 perc 4.2 Téli időszakban, vagy fűtési szezonban üzemeltetni kívánt fogyasztó Már az alfejezet címéből kiderül, hogy egészen pontosan egy fogyasztót kívánunk kiszolgálni energiával a fűtési időszakban. Ez egy átfolyós rendszerű vízmelegítő. A működésének lényege, hogy a padlófűtés keringető rendszerével sorba kapcsolva melegen tartsa a keringő vizet. Lényegében a megtermelt villamos energiát azonnal hővé alakítjuk. Ha pedig termelés nincs, akkumulátorokból vételezzük a villamos energiát. Nézzük meg a fontosabb paramétereit, a kiválasztott fogyasztónak. A kiválasztott fogyasztónk a Vaillant H 6/1 minived átfolyós vízmelegítő. Névleges feszültsége 230 V (50 Hz), névleges teljesítménye pedig 2,5 kw. Ebből az adatpárosból adódik a névleges árama, amely pontosan 10,87 A. Ez az érték viszonylag nagy, viszont a névleges teljesítmény közelében többnyire nem üzemeltetjük. A nagy teljesítményű vízmelegítőt azért alkalmazom, mert az ellenállása számomra megfelelő értékű a 15

szabályozóhoz. Így egyaránt beállítja az akkumulátorok töltő áramát, és megfelelő hőmérsékletet biztosít a víz melegítéséhez. Az alábbi ábrán látható a vízmelegítőnk. 8. ábra. A választott átfolyós vízmelegítő [4] Az energia felhasználás szempontjából az egy órára nézett teljesítményt vesszük. Ennek egysége a kwh. 2500 W teljesítményt maximális üzemállapoton vételez a hálózatunkról, ezt az energiát azonban csak a felfűtéshez szükséges ideig veszi fel. A melegen tartáshoz jóval kevesebb energia elegendő. Ezt figyelembe véve később tárgyaljuk az átlagos energiafogyasztást. 4.3 Segédüzemi rendszer teljesítményigénye Mint minden erőműves rendszernél, itt is csatlakoznak a hálózathoz különféle biztosítók, relék, visszajelző berendezések, melyek a működés pillanatától rendelkezésre állnak. Ezen eszközök is energiát vesznek fel a működéshez. A segédüzemhez itt hozzá tartozik a visszajelző berendezések négy LED lámpája, a háromfázisú oldalon három, a DC oldalon egy LED, a védelemnél a feszültségfigyelő relék tekercsei tárolják, majd adják le energiájukat. Mivel ezek az elemek állandóan kapcsolatban vannak a hálózattal és teljesítmény igényük állandó, ezért az energiát, amit elfogyasztanak, veszteségnek tekintjük. Nagy erőműveknél a beépített teljesítmény 10%-a a segédüzem ellátásárra szolgál. A nagy erőművek, legyen az alap erőmű vagy menetrend tartó erőmű, névleges közeli értéken üzemelnek. A mi kiserőművünk hasonlóan névleges közeli üzemállapotban a megtermelt energia 8-10 %-át a segédüzem kiszolgálására fordítja. Ez a százalékérték a felhasznált relék és kontaktorrok katalógusából levont következtetés. Az alkalmazott eszközök katalógusaiból néhány fontos adat, a következő ábrán látható. 16

9. ábra. HRN-33 feszültségfigyelő relé adatlapja [5] Természetesen a segédüzemet nem szabad túlbonyolítani, ugyanis ha túl sok relét és mágneskapcsolót üzemeltetünk, jelentősen megnőhet az energia veszteségünk és a hatékonyság nagymértékben csökken. A segédüzemi áramkörök kialakításakor fontos szempont volt a lehető legkisebb energiaigény, és a minimális bonyolultság. Az üzembiztos működés sem volt másodlagos a tervezés során. Az eddigi mérések során megfelelően működött a rendszer áttervezésre nincs szükség, a további finomítás azonban lehetséges. A védelmes és a rákapcsolást végző rendszer bővíthető. 5. KÖZTES ENERGIATÁROLÓ KIVÁLASZTÁSA, MÉRETEZÉSE Az energiatárolók kiválasztásánál figyelembe kell venni azt a tényt, hogy nagy áramok leadása szükséges. Fontos az is, hogy az akkumulátorok jól kisüthetők legyenek és ez minimális amortizációval történjen. Egyszóval erős, jól terhelhető akkumulátorok kellenek. 17

5.1 Az akkumulátoros teleprendszer Nagyteljesítményű háztartási erőműves rendszerek nagy energia puffert igényelnek. Ezt a szerepet napjainkban az akkumulátorok tudják megfelelően betölteni. Nagy kapacitású, jól terhelhető akkumulátorokra van szükségünk a megtermelt energia eltárolásához. Olyan akkumulátorokat választottam melyek megfelelnek az általam támasztott szakmai feltételeknek. A feltételek a következők voltak: - legalább 2000 W teljesítmény kivétele 5-7 órán keresztül - közepes feszültségszint - inverterekhez való illeszthetőség - gondozásmentes működés - hosszú élettartam Ilyen akkumulátor kiválasztása rendkívül nehéz feladat. A gyártóktól kérdezősködtem melyik lenne a legmegfelelőbb a célra. 10. ábra. Ólom-savas teherautó akkumulátor [6] Az előző ábrán látható ólomsavas akkumulátor felel meg legjobban céljaimnak. A tulajdonságaiból adódóan jól terhelhető, és nagy áramok hatására sem romlanak jelentősen adottságai. Paraméterei: Kapacitása: 225Ah Maximális indító áram: 1250A Névleges feszültség: 12V Cella feszültség: 2,13V 18

Ez az akku képezi a teljes telep egyetlen elemét. A teleprendszer nyolc ilyen akkumulátorból épül fel, melyek részben párhuzamosan részbe sorban vannak kapcsolva. Egy másik fajta akkumulátor is szóba jött a keresés során. Ez a típus a Li-ion akkumulátor volt. Elvetésének oka többek között, hogy nem gondozásmentes, nem jól viseli a túltöltést, és egységnyi térfogatra jutó ára másfélszerese az ólóm-savas akkumulátorénak. Az akkuk összekapcsolásának sémáját a következő ábra szemlélteti. 11. ábra. Az akkumulátorok kapcsolási sémája A rendszer névleges feszültsége 48 V. Ezt akkucsoportok kialakításával érjük el úgy, hogy két akkumulátort párhuzamosan kapcsolva adódik egy csoport. A csoportokat egymás után sorba kapcsolva előáll a 48 V-os feszültség. A kapacitás így 450 Ah, ami 45 A-es maximális terhelő áramot enged meg a terhelésen. Ezt nyolc órán át képes szolgáltatni töltés nélkül az akkupakk, míg a mélykisütési védelem le nem választja a hálózatról a telepet. A töltést illetően meg kell határozni egy bizonyos töltési feszültségmaximumot, amit a teleprendszer károsodás nélkül elvisel, és egy maximális töltő áramot, amit a generátor biztosítani tud. Ezek közül a legfontosabb a névleges töltőfeszültség. 12 V-os akku esetén a töltőfeszültség értéke nem haladhatja meg a 14,4 V-ot. Így a két feszültség arányából adódik, hogy a telepünkre jutó feszültség maximális értéke 57,6 V. Maximálisan megengedett töltőáram értéke legyen 20 A. Ez az érték, amit a szélturbina névleges üzemállapot mellett szolgáltatni képes. Az akkumulátorok élettartamát növelni kívánjuk, ezért mélykisütési védelmet alkalmazunk. Ezt megvalósíthatjuk egy feszültségcsökkenési relével. A beállítási értéket határozzuk meg 19

aszerint, hogy melyik időszakban üzemeltetjük berendezéseinket. A téli időszakban kevesebb a légmozgás, ezért elkerülhetetlen a telepünk maximális kihasználása. Azonban nyáron a gyakoribb szélmozgás miatt, a relé elengedési értéke beállítható akár az akkupakk feszültségének hetven százalékára. Így az akkumulátorok élettartama akár másfélszerese is lehet az eredeti élettartamnak. 5.2 Az akkumulátorokat összekötő vezetékek kiválasztása Az összekötő vezetékeket akkumulátorok esetében nem szükséges méretezni. Teljesítmény és feszültségszint alapján kiválasztható, hogy milyen vezetékeket célszerű alkalmazni mind szigetelés mind keresztmetszet szempontjából. Az általunk alkalmazott teleprendszerhez 35mm2 keresztmetszetű tömör réz összekötőket alkalmazunk. Ezeket csavaros sarukkal látjuk el, majd rögzítést szigetelt csavarhúzóval végezzük. Az akkuk összekötésének a megvalósítását a következő ábra mutatja. A kép csak illusztrációként szolgál. 12. ábra. Az akkumulátorok összekötésének megvalósítása [6] Az elhelyezett sarukra kapható műanyag szigetelő sapkák elhelyezése is fontos, ugyanis karbantartás közben akár kézzel, vagy fémes ruhadarabbal könnyen zárlatot okozhatunk. Az életveszély feszültség szempontjából nem jelentős, mivel törpe feszültségről van szó, de zárlat alkalmával egy nagy áram keletkezése során egy cella fel is robbanhat. Ennek az életre gyakorolt hatása már jelentős. 20

6. ILLESZTŐ, SZABÁLYOZÓ ÉS VÉDELMI ÁRAMKÖRÖK TERVEZÉSE, TERVDOKUMENTÁCIÓ ELKÉSZÍTÉSE 6.1 Az illesztő szabályozó áramkörök elvi felépítése, vezérlési blokk bemutatása 6.1.1 A szélenergiát átalakító rendszer A természet által szolgáltatott energiát szélturbinák segítségével alakíthatjuk át. Ezen szélturbinák lehetnek különféle megvalósításúak, esetünkben horizontális tengelyű turbinát alkalmazunk. A generátor szerepét egy állandó mágneses forgórészű szinuszos fluxus mezejű szinkrongenerátor tölti be. Elhelyezést illetően előzetes mérések alapján meghatároztunk egy magasságot, ahol a szél járása és iránya a legegyenletesebb turbulenciáktól mentes környezetben történik. Kilenc méter magasságban kapott helyet az energiát termelő berendezés, forgózsámolyon elhelyezett függőleges tengely teszi lehetővé a turbina szélirányba állását. A farok rész, amely egy farok tollból és egy vízszintes irányú csővázból áll adja azt az erőrendszert, ami szél hatására a szél irányába kitéríti a szélturbinát. 13. Ábra. Oszlopszerkezet tetején, forgózsámolyon elhelyezett szélturbina A faroklapát dőlésszögének állításával beállítható, hogy melyik legyen az a maximális szélsebesség, amelynél még szélirányban marad a rendszer. Tapasztalati úton határoztuk meg a farokszárny dőlésszögét, a kitérési sebesség pedig 18 m/s. Ezen sebesség felett a szerkezet instabillá válik, ugyanis a lapátok végének sebessége olyan mértékben megnő, hogy mintegy lecsavarja önmagát a felfogatási pontról. A szél 21

mechanikai energiáját átalakító berendezés tehát ismert, nézzük részletesen a további villamos energiát átalakító és szabályozó rendszereket. 6.1.2 A generátor villamos jellemzői Állandó mágneses generátor egyre elterjedtebb megújuló energiaforrások terén, ezért mi is ilyen szerkezetű berendezést alkalmazunk. Az állórész és a forgórész egy átalakított aszinkronmotor szerkezeti elemeit képezik. Az állórészen elhelyezett nyolcpólusú háromfázisú tekercselésben indukálódik a háromfázisú feszültség, melyet a forgórészen elhelyezett mágnesek hoznak létre. A mágnesek típusa N52 Neodímium mágnes, közismerten erős mágnesek. A forgórészen 65 ilyen elem kapott helyet héjmágneses kialakításban []. Ezen rendszerfeltételek teszik lehetővé, hogy szinkron fordulatszám mellett 230 V feszültséget kapjunk a fázis és a csillagpont között. Névleges adatok: Szinkron fordulatszám: 750 RPM Névleges feszültség: 400/230 V Névleges teljesítmény: 4000 W Ezek a tulajdonságok ideális feltételek mellett állnak fenn, a gyakorlatban 170 V feletti fázis-nulla feszültség felé nem tanácsos felengedni a generátorunk ugyanis fennáll a maradandó károsodás veszélye. A szerkezet instabillá válhat és ilyen sebesség mellett környezetében is komoly kárt tehet. A későbbiekben megfogalmazott védelmi beállítások ehhez mérten lettek megadva. A gépünk által átalakított villamos energiát elődlegesen akkumulátoros teleprendszer töltésére szeretnék felhasználni. Ehhez az energiát át kell alakítani. Az átalakításhoz szükséges berendezések méretezése rendkívül precíz és átgondolt folyamat. Segítségül szolgálnak a későbbiekben ismertetett szimulációs programok, a szimulációk elvégzését követő eredmények, majd az ezeket visszaigazoló mérési eredmények. A szimulációk visszaigazolása fontos, hiszen abból tudjuk meg, hogy a valóságban megépített áramkör a vártnak megfelelően viselkedik-e, vagy sem. 6.1.3 Mechanikai és villamos védelmek ismertetése Anyagi szempontból nézve a turbina-generátor, és az akkumulátor telep a legdrágább, ezért ezek védelme kulcsfontosságú. Elsődlegesen viszont energia szempontból a generátor a legfontosabb a működéshez. Először ennek a védelmeit tárgyaljuk. 22

Mechanikai védelmét illetően a túlpörgés elleni védettség az első, amit meg kell valósítanunk. Ehhez egy háromfázisú hőtárolós kályhát, egy hárompólusú kontaktort és egy feszültségfigyelő relét használunk a következő elrendezésben. 14. ábra. A szélturbina túlpörgés elleni védelmének áramutas rajza Az ábrán látható kapcsolás működésének lényege hogy a feszültségfigyelő (R1) relé vonali feszültséget érzékel. Egy bizonyos beállított szintet meghaladva a relé meghúz és a váltóérintkezője átvált. Ezzel meghúzatja a kontaktor behúzó tekercsét (R2), majd rákapcsolódik a hőtárolós kályha. A hőtárolós kályha paramétereit illetően, megfelel az általunk kitűzött célnak. Ez egy háromfázisú berendezés, 230 V, 50 Hz es fázisjellemzők mellett névleges teljesítménye 5500 W. Így tehát egy nagy teljesítményt képvisel a generátorhoz képest, é a rákapcsolással jelentős visszalassulást tudunk elérni. Ezzel megvalósítjuk az indukált feszültség lekorlátozását is. Innen adódik, hogy melyik legyen az a beállítási érték, aminél a kapcsoló meghúzzon. 6.1.4 Az üzemszerű terhelésrákapcsolás Üzemszerű terhelésnek tekintjük az egyenirányító és az utána következő összes elektronikai berendezést. Ahhoz, hogy hatékonyan üzemeljen a gép indítani csak is üresjárásban lehet. Egy bizonyos feszültségszint elérése után a villamos gép rákapcsolható az ellátni kívánt hálózatra. Ezt a rákapcsolást az előzőekben leírt kontaktor-feszültségfigyelő relé párossal valósíthatjuk meg. A beállítási értékek legyen abban a munkapontban, ahol már az üzem stabil és mozgását nem szakítja meg a 23

legkisebb villamos terhelés. A terhelésrákapcsolást végző automatika áramutas rajza a következő ábrán látható. 15. ábra. A villamos terhelés rákapcsolása a szélturbinára, a belépési feszültségszint 50 V. A meghibásodást elkerülendő kissé túlméretezett egyenirányító híd végzi az egyenirányítást. A rákapcsolást és a lekapcsolást követő tranziens jelenségek ugyanis tönkre tehetik a pontosan méretezett diódás hidat. Itt kell szót ejteni a diódás hídról és az itt szükséges túláram védelemről. Mind a háromfázisú mind az egyen oldalon szükséges elhelyezni olvadó biztosítókat. Az itt megjelenő túláramok zárlatot hozhatnak létre a generátor tekercselésében és a terhelést ellátó vezérlő elektronikában, ezért ezt körültekintően méretezni kell. A méretezések után fázisonkénti 10 amperes gyors olvadóbiztosítók, az egyen oldalon pedig 20 amperes védő biztosítok lettek elhelyezve. A biztosítás kapcsolása szintén a 15. ábrán található. Az életvédelmi szempontokat szem előtt tartva figyelmeztető és védő berendezéseket egyaránt el kell helyeznünk. Ha a generátor a forgásban van a visszajelző berendezések figyelmeztetést adnak nekünk arról, hogy a rendszer háromfázisú oldala feszültség alatt van. Értelem szerűen nem elég a figyelmeztetés, beépítésre kerül egy háromfázisú életvédelmi relé (Fí relé). Az előbbiekben már szó esett a visszajelző berendezésekről. Lényegében ezek egyszerű LED-ek olyan módon bekötve, hogy hiba, vagy nem üzemszerű működés esetén nem világítanak. A fényforrások egy műanyag kötődobozban kaptak helyet. 24

6.1.5 A vezérlési blokkséma 16. ábra. A vezérlési blokk felépítése Az előző ábrán látható, hogyan helyezkednek el egymáshoz képest az egyes vezérlő egységek. Elsőként az egyenirányító híd, majd a szabályozott feszültségcsökkentő. Erre csatlakozik az akkumulátor telep. Az első valójában vezérlést nem igénylő egység az egyenirányító, mely a váltakozó áramot egyenárammá alakítja. Az egyenirányítást egy háromfázisú két utas hatütemű diódás hídkapcsolás végzi. Az egyenfeszültség értéke meghatározható a következő összefüggésből. U egye n = 3 U váltakoz ó 2 π (8) Ez a feszültség a mi esetünkben állandóan változik a szél sebességétől függően. Ezt szabályozzuk egy speciális DC-DC átalakítóval, ahol a kapcsoló elem egy szigetelt kapujú tranzisztor (IGBT), és a vezérlőelemek pedig egyszerű alapáramkörök. Ezek megvalósíthatók mikrokontrollerrel, PLC-vel, de a mi esetünkben az analóg áramkörök bizonyultak célszerűnek. A kapcsolást vezérlő áramkört a következők alkotják: egyszerű feszültségosztó, komparátor, és egy optocsatoló. A DC-DC átalakító teljesítmény oldalának kapcsolása a következő ábrán látható. 25

17. ábra. A DC-DC átalakító erősáramú megvalósítása. A kimeneti feszültség 50 V és 57 V között változik. A bemeneti feszültség tetszőlegesen változtatható a belépési feszültségtől egészen 160 V-ig. A vezérlést illetően két fő szempontot tartottunk szem előtt. A generátor karakterisztikájának megfelelően növeljük az akkumulátorok töltő áramát, és állandó töltőfeszültséget tartva vesszük ki az energiát. [7] Ezt az előzőekben említett komparátor teszi lehetővé. Astabil multivibrátor segítségével előállítunk egy referencia négyszög jelet, ez kerül a nem invertáló bemenetre. Majd az invertáló bemenetre a generátorunk által szolgáltatott immár leosztott egyenfeszültség kerül. Ez alapján eldönti a komparátor, hogy kimenetén magas vagy alacsony szint legyen (+-15V). Lényegében impulzusszélesség modulációról van szó, ám ezt a modulációt a generátor feszültségének függvényében végezzük. A moduláló jel frekvenciáját célszerű középfrekvenciára megválasztani, ahol a kapcsolgatás miatt keletkező hangok nem zavarják az emberi fület. Esetünkben 5 khz frekvenciával kapcsolgatjuk a teljesítmény félvezetőt. Azért ezt az értéket választottam, mert ebben a tartományban mind, a háromszög jel előállító, mind a komparátor kényelmesen üzemel, minimális csillapítás mellett, és a komparátor kimenetén lévő jel fel- és lefutási tényezője elhanyagolhatóan kicsi. A teljes átalakító rajza a következő ábrán látható. 26

18. ábra. A DC-DC átalakító kapcsolási rajza A feszültségosztó leosztja az állandóan változó egyenfeszültséget és illeszti a komparátor bemenetéhez a feszültség szintet. A komparátor minden időpillanatban eldönti, hogy a hiba jel az alap háromszögjel felett van, vagy alatta. Az említett két esetben, ha a vezérlő jel a hiba DC jel felett van, az IGBT kikapcsolt állapotban van, ha alatta van, akkor a teljesítmény félvezetőnk be van kapcsolva. A komparátor kimenetéhez csatlakozik a leválasztó áramkör. Ennek célja, hogy galvanikusan leválassza a vezérlő áramkört az erősáramú részről, így védve a vezérlést. Majd tovább haladva az optocsatoló tranzisztorának bázisát szabadon hagyjuk, a kollektorához csatlakozik az IGBT vezérlő bemenete. Olyan csatoló áramkört kellett választani, amely kimeneti oldala képes meghajtani a szigetelt kapujú tranzisztort. 0 és 15 V feszültséggel kell vezérelni az IGBT, aminek az IRG4BC30UD típust választottam. Az teljesítmény félvezetőt kapcsolgatva beállíthatjuk a töltő feszültséget, és a töltő áram nagyságát annak függvényében, hogy a szél milyen sebességgel fúj. A későbbi fejezetekben taglalom ennek mérési eredményeit. 6.2 A tervezett illesztő szabályozó áramkörökön végzett szimulációs eredmények bemutatása 6.2.1 Háromszög jelalak előállítása A tervezés során fontos szempont volt az egyszerűség és a költségtakarékosság. Így az áramkörök megvalósításához kompromisszumokat kellet kötni a takarékosság és a hatékonyság között. A háromszög jel, mint egy referenciaként szolgál a komparátor 27

számára. Az alap frekvenciát NE555 típusú időzítővel képezzünk, astabil mulivibrátor üzemmódban. A kapcsolás a következő ábrán látható. 19. ábra. Az áramkör, amit megvalósítottam, és amin a szimulációkat végeztem (balra az astabil multivibrátor, jobbra komparátor) A szimuláció során lehetőség nyílt a referencia jel alakjának meghatározására. A referencia jelünk nem tökéletes háromszög, ugyanis az AMV-ből (Astabil MultiVibrátor) jövő jel négyszög alakú. Ezt egy RC tag integrálja, és a jel alakja a következő képen alakul. 20. ábra. A referencia jel alak időbeli alakulása. A jel frekvenciája 5 khz, maximális amplitúdója 11 V. Amint az ábrából kiderül, a jel szintje el van tolva a feszültség tengelyen. Ez azért van így, hogy a generátortól érkező hiba jelet a komparátor megfelelően le tudja kezelni és be tudja állítani a kimeneti szinteket. Amennyiben ez a referencia jel eltolódik Y 28

irányban, a szabályozó viselkedése meg fog változni. Megváltoznak a beállított minimum és maximum értékek, ez pedig a további eszközeink károsodásához vezethet. Most lássuk a hiba feszültség és a referencia érték egymáshoz való viszonyát. 21. ábra. A hiba DC jel és a referencia jel egymáshoz képesti elhelyezkedése. Látható, hogy minden periódusban változik a komparátorunk kimenete magas és alacsony szint között. Ha a DC jelet eltoljuk a feszültség irányában, a kimeneti négyszög jel kitöltési tényezője csökkenni fog. Ezáltal hosszabb ideig vezet a DC/DC átalakító teljesítmény félvezetője. Fordított esetben csökken a hiba DC jel, nő a komparátor kimenetén lévő négyszög jel kitöltési tényezője, így egyre tovább marad kikapcsolt állapotban az IGBT. A működés lényegét immár ismerjük, nézzük, mit mutat a szimuláció bizonyos peremfeltételek mellett. 22. ábra. A komparátor kimenetén megjelenő négyszög jel, 6 V hiba DC feszültség esetén. 29

23. ábra. A komparátor kimenetén megjelenő négyszög jel, 10 V hiba DC feszültség esetén. Az előbbiekben bemutatott ábrákból kiderül, hogy a generátor feszültségének emelkedésével, a kitöltési tényező egyre csökken. Egy bizonyos kitöltési szint felé nem mehetünk ugyanis, túl sokáig nyitott állapotban lévő félvezető nem eredményez hatékony működést, a generátorból érkező töltő áram teljes része csak a fűtőszálban alakul hővé, és az akkumulátorok nem kapnak töltőáramot. Így a szabályozóban a hiba feszültség bemenetére egy Zener-diódát kapcsolunk. A bemenő hibafeszültséget 11 V- nál maximalizáljuk így egy 10,9 V-os Zener-dióda tökéletesen megfelel a célra. Ezzel megvalósítottuk a szabályozónk korlátozását egy bizonyos működési tartományon belül. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy egy bizonyos feszültségszint felett az akkumulátorok töltő árama nem növekszik tovább, a töltő feszültség pedig természetesen állandó. Ez a generátor feszültség 160 V értéknél nagyobb nem lehet. Ennél a feszültségnél már olyan magas a fordulatszám, hogy ezt meghaladva, a szélturbina maradandó károsodást szenvedhet. 6.2.2 Az optocsatoló, és a teljesítmény félvezetőt meghajtó áramkörök bemutatása A nagy feszültség és nagy áramok miatt, galvanikus leválasztásra van szüksége a vezérlő áramkör és az erősáramú áramkör között. Ezt a leválasztást megvalósíthatjuk transzformátorral, mágneskapcsolókkal, vagy optocsatolókkal. A legegyszerűbb és legolcsóbb megoldásnak az optocsatolós leválasztás bizonyult. Ezt a feladatot 30

LTV4N25 típusú leválasztó áramkör végzi. Ez egy olyan integrált áramkör, ahol egy tokban helyezkedik el egy LED, és egy fototranzisztor. A következő ábra szemlélteti a tokban való elhelyezkedést. 24. ábra. Az optocsatoló felépítése [8] A gyártó által megadott adatok megfelelőek számunkra. Az egyetlen gondot az okozza, hogy a leválasztó áramkör záró irányú feszültségtűrése rendkívül alacsony. A károsodást elkerülendő, az optoleválasztó és a komparátor kimenete között elhelyeztem egy feszültség osztót, mely képes biztosítani a LED számára szükséges áramot és csökkenti a záró irányú igénybevételt. Nézzük meg, milyen jel vezérli a leválasztó áramkör bemenetét. 25. ábra. Az optocsatoló záró irányú feszültség igénybevétele: 4,7 V. 31

A maximálisan elviselhető záró irányú feszültség 6 V, így tehát a határ alatt maradunk. A zavarok jelentkezése miatt, célszerű elhelyezni egy 4,7 V-os Zener-diódát, igy biztosan védve van az áramkörünk a károsodás ellen. Tovább haladva, a leválasztó áramkör tranzisztoros oldalát vizsgáljuk. A tranzisztor maximális kollektor áramát az 1000 Ohm-os ellenállás állítja be, a tápfeszültség értéke pedig +15 V. A tranzisztor kollektorához csatlakozik az IGBT Gate elektródája, és egy 10 MΩ értékű ellenállás kerül a Gate és a GND potenciál közé. Így a vezérlő +15 V és GND szint között kapcsolgat a Gate elektródán 5 khz frekvenciával. Ez a frekvencia tetszőlegesen növelhető az előbbiekben említett referencia jelgenerátor frekvenciájának változtatásával, azonban figyelembe kell venni az áramkörök frekvencia függését. 20 khz fölé nem tanácsos menni, ugyanis az alkalmazott áramkörök számára ez már igen magas frekvencia. Túl magas frekvenciájú kapcsolgatás rendellenes működéshez, esetleg károsodáshoz vezet. A vezérlő jel hatására az IGBT kimenetén jelentkező jelalak a következő, a tranziens állapot lezajlása után. 26. ábra. Az IGBT kimenetén jelentkező jel alakja a szimulációs eredmények alapján 100 V generátor feszültség esetén Ebből az következik, hogy az átalakító 10 mh értékű tekercsén megjelenik egy áram és egy feszültség érték. Ez a tekercs csökkenti le a feszültség csúcsértékét és tartja elfogadható szinten a töltő feszültség értékét. A szimuláció során egy kondenzátorral 32

modelleztük az akkumulátoros terhelést. Az így kapott válasz jelalak a következő ábrán látható. 27. ábra. Az akkumulátor töltőfeszültsége az idő függvényében, 100 V generátor feszültség esetén Látható, hogy 48 V-ról 15 ms alatt beáll a szabályozó a kívánt töltőfeszültség értékére. Az akkumulátorokat töltő áram értéke 6,78 A. Természetesen különböző generátorfeszültség mellett, különböző időállandójú tranziensekkel áll be a szabályozó a megfelelő feszültségszintre. Nézzünk néhány szimulációs eredményt adott peremfeltételek mellett. 28. ábra. A szabályozó kimenetén alakuló feszültség idő függvénye, 55 V generátor feszültség esetén 33

29. ábra. A szabályozó kimenetén alakuló feszültség idő függvénye, 85 V generátor feszültség esetén 30. ábra. A szabályozó kimenetén alakuló feszültség idő függvénye, 115 V generátor feszültség esetén Az imént bemutatott ábrákból jól látszik, hogyan nő a tranziens időállandója a feszültség beállásának. A szabályozót úgy kellett kialakítani, hogy minimális ideig álljon fenn az akkumulátorok által elviselt feszültségnél nagyobb feszültség, és ennek érték sem vehet fel túl nagy értéket. A kompromisszum eredménye tehát, rövid ideg fennálló tranziens állapot, és feszültség maximuma ne haladja meg a 65 V-ot. Ezek 34

természetesen csak szimulációs eredmények, a későbbiekben megvizsgáljuk ezeket a valóságban is. 7. GYAKORLATI MEGVALÓSÍTÁS, TESZTELÉS 7.1. A generátor és szélturbina gépcsoport megvalósítása Először tekintsük meg részletesen a szélturbina kialakítását. Három tollból álló turbina, egyenként 2100 mm-es hosszúságú, fa műgyanta kompozitból kialakított lapátokból épül fel. A lapátok rögzítése a rotorhoz, egy csavarokkal rögzített elemen valósult meg. Az így adódó rotor átmérő 4500 mm. A generátor testéhez csatlakoz, farok szárny egy könnyűfém szerkezeten helyezkedik el. A farok lapát dőlésszögének változtatásával tudjuk beállítani, hogy melyik legyen az a szélsebesség, ahol a turbina kitér a szél irányából. Az egyes egységek a következő ábrán láthatók. 31. ábra. A generátor-turbina csoport egységei Az erőforrásunk egy átalakított aszinkron gépből valósult meg. Az állórészen nyolcpólusú háromfázisú tekercselés helyezkedik el, a forgórészen pedig a mágnesek. A megtermelt villamos energiához csúszógyűrűkön keresztül férünk hozzá. Erre azért van szükség, mert a gépünk folyamatosan követi a szél irányát, így a körbefordulások elkerülhetetlenek. A körbe forgást ún. forgózsámoly teszi lehetővé. A csúszógyűrűk nem a kép tengelyéhez csatlakoznak a megszokott módon, hanem az állórész tekercselés kivezetéseihez. A csúszógyűrűről érkező vezetékek pedig egy kötődobozba érkeznek, ahol már hozzáférünk a megtermelt villamos energiához. A kötődobozból 30 35

méter hosszan, földalatti kábelen csatlakozik a generátor a kapcsolószekrényhez, ahol a szabályozó áramkörök fogadják a villamos energiát. 32. ábra. A generátor csatlakozása a szabályozó áramkörökhöz sorkapcsokon keresztül Az előző ábrán bemutatott módon csatlakozik a generátor, a kapcsolószekrényben elhelyezett elemkehez. Balra látható a gégecsövön érkező kábel, majd a három fázis meglétét jelző berendezés és a sorkapcsok. Így valósul meg a szélgenerátor összeköttetése az általam kivitelezett villamos hálózattal. 7.2 A generátor fontosabb paramétereinek meghatározása méréssel Szükséges meghatározni néhány fontosabb adatot a generátorunk működésének megértéséhez. Méréseket végeztem különböző szélsebességek mellett. Mérőműszerként egy digitális oszcilloszkóp előtétet használtam, ami a számítógép monitorát használja kijelzőként. A bemutatott eredmények 4 m/s (kb. 14 km/h) szélsebesség esetén adódtak. Lássuk először a generátor feszültség idő függvényét egy fázisra. 36

33. ábra. A generátor feszültség-idő függvénye (fázis értékek) A műszer kijelzőjén látható, hogy szinusz jelalakot produkál a generátorunk. A periódikusan megjelenő feszültségcsúcsokat a feszültségfigyelő relék tekercsei okozzák. A feszültség effektív értéke 24 V, frekvenciája, 2,6 Hz. Ebből adódik a fordulatszám 39 RPM. Az egyenirányított feszültség értéke ekkor 56,14 V. Levonhatók az alábbi következtetések: Rendkívül alacsony szélsebesség mellett is nyerhetünk ki energiát a generátorunkból, ez elegendő az akkumulátorok ún. csepptöltéséhez. A feszültség jelalakja visszaigazolja a szinuszos indukciómező meglétét, és a héjmágneses kivitelt. A feszültségfigyelő relék működése is jól látszik a jel alakjából, ugyanis ekkor a beállítási értéket alacsonyra állítottam. A relé hiszterézises jellege miatt a váltó érintkező ugyan még nem vált át, de a tekercsben eltárolt feszültség megszűnésekor indukált feszültség keletkezik, és ezek okozzák a szinusz jelre ráülő zavarokat. Természetesen ez a mérés csak szemléltetésre szolgál, ugyanis az adatgyűjtést üresjárásban végeztem el. Valós visszaigazolást a helyes működésről, a majdani üzem közbeni mérések adnak. 7.3 A túlpörgés és túlfeszültség elleni védelem megvalósítása A már említett főbb tervezési szempontokat szem előtt tartva, ezt a védelmet is egyszerűen és költséghatékony módon valósítottam meg. A védelem két részből áll, egy feszültségfigyelő reléből, és egy háromfázisú mágneskapcsolóból. 37

34. ábra. Túlpörgés és túlfeszültség elleni védelem (balról a harmadik és negyedik elem) A működést tekintve rendkívül egyszerű mechanizmus zajlik le a védelem megszólalása során. Első lépésben a generátor fázisfeszültsége meghaladja a beállított értéket, majd a feszültségfigyelő relé érintkezője átvált. Ezt követően a mágneskapcsoló behúzó tekercse aktiválódik és a kontaktort BE állásba állítja, ezzel beszakaszolva a háromfázisú hőtárolós kályhát. Ezt követően viszonylag nagy áram folyik át a generátor tekercsein, és ez visszalassítja a pörgés sebességét. Az érintkező beégését elkerülendő hiszterézises relével dolgozunk. A tesztelést elvégeztem, az eredmények bemutatására sajnos nincs lehetőségem. 7.4 A terheléskapcsoló automatika megvalósítása Erre az egységre azért van szükség, mert a generátor csak is terheletlen állapotban képes elindulni kis szélerősség esetén. A terheléskapcsoló egység azt a feladatot látja el, hogy rákapcsolja a generátort az ellátni kívánt hálózatra egy megadott fordulatszám fölött. Ez a fordulatszám legyen olyan, hogy a generátor a terhelés hatására sem tudjon visszalassulni olyan állapotba, ahol fenyeget a megállás veszélye. Értelem szerűen ide is kell egy feszültségfigyelő relé, egy teljesítménykapcsoló, és ki kell egészíteni a kapcsolást gyors biztosítókkal. Ezek védenek a túl nagy áramoktól és a különböző zárlatoktól a hálózatunkon. Megvalósítása a következő ábrán látható, még a biztosítók nélkül. 38