Aquair UW Betriebsanleitung

Transkript

1 Aquair UW Betriebsanleitung 1/14

2 Vorwort Diese Betriebanleitung ist im Wesentlichen eine Übersetzung des Manuals vom Hersteller der Turbine. Obwohl die Unterwasserturbine in Verbindung mit der Schifffahrt entwickelt wurde, wird in dieser Betriebsanleitung auf das Beschreiben dieser Anwendung verzichtet. Bei der Erstellung dieses Textes wurde mit grosser Sorgfalt vorgegangen; trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Der Autor kann für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Das Dokument ist auch einer stetigen Verbesserung unterworfen: Neue Erkenntnisse sollen ergänzt und Unklarheiten beseitigt werden. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler ist der Autor dankbar. Diese Vorschläge können gesendet werden an: 2003 by Peter Maurer ACHTUNG: Unsachgemässer Umgang mit der Elektrizität kann zu Personen- und Sachschäden führen. Vor der Inbetriebnahme der Unterwasserturbine sollte diese Anleitung unbedingt gelesen und Verstanden werden 2/14

3 Inhalt 1 Sicherheitsrichtlinien Nie ohne Gleichrichter anschliessen Richtige Verdrahtung Schutz des Systems Auf Polarität achten Abhängen des Generators Einsatz eines Ladereglers Achtung! Packliste und Check Systembeschreibung Einführung Der Alternator (Generator) Dichtung Zusätzlicher interner Schutz Gleichrichtung Anschluss Installation Vorbereitung Generelles zur Installation Mechanische Installation Befestigung Schutzvorrichtung Schnelle Strömung Wassergeschwindigkeit Elektrische Installation Farbcode vom Kabel aus der Unterwasserturbine Farbcode nach dem Gleichrichter Grundsätzliches Fehlersuche Mögliche Fehler bei reduzierter Leistungsabgabe Betrieb Leistungs-Kennlinien Laderegler /14

4 1 Sicherheitsrichtlinien ACHTUNG: Unsachgemässer Umgang mit der Elektrizität kann zu Personen- und Sachschäden führen. Vor der Inbetriebnahme der Unterwasserturbine sollte diese Anleitung unbedingt gelesen und Verstanden werden. 1.1 Nie ohne Gleichrichter anschliessen Der Generator darf nie ohne dazwischen geschalteten Gleichrichter an ein System angeschlossen werden. Ohne Gleichrichter kann die Rotorwicklung zerstört werden und die Batterie kann sich über diese Wicklung übermässig entladen. 1.2 Richtige Verdrahtung Es ist wichtig, dass kein Verbraucher an den Generator angeschlossen werden kann, ohne dass nicht auch parallel dazu eine Batterie verbunden ist. Das Abhängen der Batterie oder der Betrieb ohne Batterie kann zu einer überhöhten Spannung am Ausgang des Generators führen und spannungsempfindliche Verbraucher zuerstören. 1.3 Schutz des Systems Das System muss unbedingt mit entsprechender Sicherung gegen Überstrom geschützt werden. 10 A für die 12VDC Turbine 5A für die 24VDC Turbine 1.4 Auf Polarität achten Ein Anschliessen mit umgekehrter Polarität (Vertauschen von + plus und minus) zerstört die Batteriesicherung oder den Gleichrichter, sofern keine Sicherung eingebaut wurde. 1.5 Abhängen des Generators Wenn der Generator abgehängt wird während der Rotor noch dreht, kann eine überhöhte Spannung auftreten. Dies kann zu einem leichten elektrischen Schlag führen. Bei Arbeiten an der Verdrahtung sollte der Generator aus dem Fluss genommen werden. 1.6 Einsatz eines Ladereglers Um die Batterie vor dem Überladen zu schützen ist es ratsam, ein Laderegler einzusetzen. 1.7 Achtung! Bei der Planung der Installation sollten folgende Punkte beachtet werden: 1) Die Unterwasserturbine sollte nicht dauernd bei der maximalen Leistung betrieben werden. Die Einbaustelle sollte gut beurteilt werden. Saisonale Schwankungen der Strömung und der Wassermenge, der Einfluss von Stürmen und Wellen sollten in Betracht gezogen werden. 4/14

5 Höhere Strömung bringt nur unwesentlich mehr Leistung, führt aber zu erhöhten Kräfte am Propeller, dem Generator und dessen Aufhängung. Dies kann zu Ermüdungsbrüche führen. 2) Ein neu installiertes System sollte regelmässig kontrolliert werden. Nicht nur die elektrische Ausgangspannung und den Strom, auch die mechanische Seite sollte gecheckt werden. Das system sollte ruhig laufen und keine Erschütterungen oder Vibrationen aufweisen. Jeder Defekt sollte sofort behoben werden. 2 Packliste und Check Haben Sie die Turbine mit der gewünschten Ausgangsspannung 12VDC oder 24VDC erhalten? Lieferumfang: -2 1 x Generator -2 1 x Propeller -2 1 x M8 Schraube mit Unterlagscheibe als Schraubensicherung -2 1 x 6mm Innensechskant Schlüssel -2 1 x Gleichrichtereinheit mit Kühlkörper 5/14

6 3 Systembeschreibung 3.1 Einführung Die Unterwasserturbine Aquair UW ist ein total tauchfähiger Alternator welcher bis zu 100W elektrische Leistung liefern kann an einer Spannung von 12VDC oder 24VDC. 3.2 Der Alternator (Generator) Der Zweiphasenalternator beinhaltet zwei Statorwindungen und zwei Rotoren mit Permanentmagneten auf der selben Welle. Diese Welle ist gelagert mit zwei abgedichteten und mit Fett gefüllten Kugellager. Die Rotoren sind um 30 gegeneinander verdreht, um das Drehmoment beim Start und die Schwankungen im Drehmoment zu minimieren. 3.3 Dichtung Das Lager in der Front ist mit 3 in Serie montierten Wellendichtungen geschützt. Der Hinterteil ist mit zwei unabhängigen O-Ringen abgedichtet. Das Kabel wird durch eine Durchführung mit O- Ringdichtungen herausgeführt. 3.4 Zusätzlicher interner Schutz Der Hauptkörper des Alternators ist mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, als letzter Schutz gegen das Eindringen von Wasser. Ein zum Teil gefülltes Reservoir aus Gummi ist für den Druckausgleich verantwortlich. Dieses befindet sich zwischen dem Hauptkörper und dem hinteren Ende. 3.5 Gleichrichtung Der Alternator produziert einen Wechselstrom, welcher durch entsprechende Gleichrichter in einen Gleichstrom überführt werden muss. Auf Grund der zwei um 30 versetzten Generatoren werden zwei Brückengleichrichter benötigt, deren Ausgänge parallel geschaltet werden können. 6/14

7 3.6 Anschluss Sicherung 10 A bei 12V 5A bei 24V Grün Gleichrichter 1 + Plus Batterie Braun - Minus Blau Gleichrichter 2 Schwarz Obwohl die Unterwasserturbine aus zwei Generatorsysteme besteht, macht es keinen Sinn, diese in Serie zu schalten um eine höhere Ausgangsspannung zu erhalten. Wegen der 30 Verschiebung der Generatoren zueinander sind die beiden Ausgänge nicht in Phase. 4 Installation 4.1 Vorbereitung Vorab gilt es zu kontrollieren, ob die Lieferung unbeschädigt und komplett ist, inklusiv Gleichrichter und Kühlkörper. Die Welle lässt sich nicht ohne Kraftaufwand drehen, da interne magnetische Kräfte und die Reibung der Dichtung dem entgegen wirken. Die Reibung der Dichtung wird nach einer gewissen Einlaufzeit nachlassen. Die Reibung ist vor allem spürbar, bevor der Propeller montiert wird. 4.2 Generelles zur Installation Versichern Sie sich, dass die Innensechskantschraube am Propeller angezogen ist und der Propeller sich frei drehen lässt. Um eine maximale Ausgangsleistung zu erhalten wird die Unterwasserturbine am Besten in eine Strömung eingebaut, in welcher sich keine Turbulenzen befinden. Ideal ist, wenn der Propeller total unter wasser ist. Die Unterwasserturbine kann bis zu einer Tiefe von 10m eingesetzt werden. 7/14

8 Besonderer Beachtung muss der mechanischen Befestigung geschenkt werden. An der Turbine können Kräfte bis zu 50kg auftreten, hervorgerufen durch die Strömung. Der Propeller wurde so dimensioniert, dass er direkt gegen die Strömung gerichtet ist. D.h. das Wasser setzt zuerst den Propeller in Bewegung und umströmt danach den Generatorkörper. Der Propeller kann im Betrieb eine Drehzahl von über 1'000 1/min aufweisen. In vielen Fällen ist deshalb eine Schutzvorrichtung vorzusehen, um Unfälle zu vermeiden. Der Propeller kann auch in entgegengesetzter Drehrichtung betrieben werden, die Ausgangsleistung ist jedoch dann sehr beschränkt. (ca. 1 A bei 12VDC) 4.3 Mechanische Installation 8/14

9 4.4 Befestigung Die Unterwasserturbine hat zur Befestigung oben beim Kabelaustritt 2 Bohrungen für 2 M8 Schrauben. An der Unterseite des Gehäuses befindet sich eine Lasche mit einer weiteren Bohrung für eine M8 Schraube. Falls nötig, kann damit einen dritten Befestigungspunkt realisiert werden. Ein Befestigungsrohr mit der Länge von 1m oder 1.5m ist erhältlich. Dieses passt auf die Befestigungsvorrichtung beim Kabelaustritt und schützt das Kabel und die Austrittsstelle. Das Rohr kann zugleich als Teil des Senke- und Hebemechanismus der Turbine verwendet werden. 4.5 Schutzvorrichtung Optional ist eine Schutzvorrichtung aus rostfreiem Stahl erhältlich, welche die Turbine vor grösseren Körpern schützt. 9/14

10 4.6 Schnelle Strömung Ist die Strömung ausgesprochen schnell, sollte ein speziell dazu entwickelter Propeller eingesetzt werden. 4.7 Wassergeschwindigkeit Die Wassergeschwindigkeit (Strömung) beeinflusst die Leistung, welche die Unterwasserturbine abgibt proportional. In der Regel ist die Wassergeschwindigkeit nicht zum vornherein bekannt. Sie kann aber über eine Zeitmessung ermittelt werden. Dazu muss mit geeigneten Mitteln eine Strecke im Wasser abgesteckt werden. Je nach Breite und Tiefe des Gewässers kann dies durch das Einschlagen von Pfählen oder durch das Spannen von Schnüren geschehen. Oberhalb der abgesteckten, bekannten Strecke wird ein schwimmender Körper in die Strömung geworfen. Darauf kann die Zeit gestoppt werden, welcher der Körper für die entsprechende Strecke benötigt. Die Länge der Strecke (in Meter) dividiert durch die gemessene Zeit (in Sekunden) ergibt die Wassergeschwindigkeit (in m/s). Aus den später folgenden Leistungskurven kann der Ladestrom, welcher die Unterwasserturbine erzeugt, herausgelesen werden. Weiter muss berücksichtigt werden, dass die Wassergeschwindigkeit und die Wassermenge saisonalen Schwankungen unterworfen ist. 4.8 Elektrische Installation Die Unterwasserturbine wird mit einem 4m langem 4-Adrigen Kabel mit je 1.5mm 2 Querschnitt (16AWG) geliefert Farbcode vom Kabel aus der Unterwasserturbine Farbe Grün Braun Blau Schwarz Anschluss Gleichrichter 1 AC Gleichrichter 1 AC Gleichrichter 2 AC Gleichrichter 2 AC Farbcode nach dem Gleichrichter Farbe Anschluss Rot Gleichrichter 1 und Gleichrichter 2 Plus Schwarz Gleichrichter 1 und Gleichrichter 2 Minus ACHTUNG: Der Generator darf nie ohne dazwischen geschaltetem Gleichrichter an ein System angeschlossen werden. Ohne Gleichrichter kann die Rotorwicklung zerstört werden und die Batterie kann sich über diese Wicklung übermässig entladen. 10/14

11 4.8.3 Grundsätzliches Folgende Punkte sollten bei der Verdrahtung beachtet werden: 1) Die Unterwasserturbine wird mit 1.5mm 2 Leitern ausgeliefert. Dieser Querschnitt ist genügend, solange das Kabel nicht länger als auf 12m verlängert wird. Ist die Distanz zwischen Unterwasserturbine und Batterie grösser muss auch einen grösseren Querschnitt gewählt werden. Siehe untenstehende Tabelle. Es wird empfohlen, den Gleichrichter (und Laderegler falls vorhanden) bei der Batterie zu platzieren. So wirken sich Kurzschlüsse im Kabel nur auf die Turbine und nicht auf die Batterie aus, weil der Gleichrichter den Strom abblockt. Kabellänge in Meter für einen maximalen Leitungsverlust von 10% für das Kabel zwischen Unterwasserturbine und Batterie Aderquerschnitt [mm 2 ] AWG Länge des 4-Adrigen Kabels [m] ) Alle Stecker oder Verbinder sollten mindestens für einen Strom von 5 A ausgelegt sein und sollten wasserdicht verschlossen werden können, wenn sie ausgesteckt sind. 3) Die Gleichrichter sollten zusammen mit den Kühlkörpern so montiert werden dass die Rippen horizontal sind, damit die Luft zirkulieren kann. Die Gleichrichter könnten sich sonst unzulässig erwärmen. 4) Bei der gesamten Verdrahtung ist auf die richtige Polarität zu achten. Falsche Polarität kann zu Schäden führen. 5) Wir empfehlen die Montage eines Amperemeters mit einem Bereich von 0-10A zwischen den Gleichrichtern und der Batterie um den Ausgangsstrom der Unterwasserturbine zu überwachen. 6) Eine Sicherung von 10A sollte in den Pfad zwischen Gleichrichter und Batterie, möglichst nahe bei der Batterie, geschaltet werden. Dies, um die Verdrahtung, die Gleichrichter und die Wicklung in der Unterwasserturbine zu schützen. 7) Es ist wichtig, dass ein Unterbruch zur Batterie auch immer ein Unterbruch zu den Verbrauchern zur Folge hat. Das Betreiben der Unterwasserturbine ohne die Verbindung zu einer Batterie kann zu überhöhter, unzulässiger Spannung an den Verbrauchern führen. BEACHTE: Die Gleichrichter verhindern, dass ein Strom in umgekehrter Richtung durch die Wicklung des Generators fliessen. Es fliesst nur ein Strom, wenn die Generatorspannung höher als die Batteriespannung ist. ACHTUNG: Wird der Generator von der Batterie getrennt während die Turbine noch arbeitet, kann, wegen dem Fehlen der Batterie, die Ausgangsspannung stark ansteigen. Dies kann zu leichten elektrischen Schlägen beim Berühren der Kontakte führen. 11/14

12 4.9 Fehlersuche BEACHTE: Die häufigste Ursache für verminderte Leistung sind schlechte Kontakte zwischen dem Generator und der Batterie. Die höheren Übergangswiderstände entstehen oft auf Grund von Korrosion. Bevor ein Defekt in der Turbinen vermutet wird, sollten alle geschraubten und gekrimpten Verbindungen überprüft werden Mögliche Fehler bei reduzierter Leistungsabgabe Schlechte Verbindungen in der Verdrahtung Es sollten alle Verbindungen auf Anzeichen von Alterung oder Korrosion geprüft werden. Fehlerhafte Gleichrichter Die Lebensdauer der Gleichrichter übersteigt normalerweise die Lebensdauer der Turbine. Häufige Ursache fehlerhafter Gleichrichter ist das Vertauschen von (+) plus und (-) minus zwischen Gleichrichter und Batterie. Sollte ein Fehler bei den Gleichrichtern vermutet werden, müssen die Dioden der Gleichrichter getestet werden. Fehlerhafter Stator der Unterwasserturbine Die beiden Wicklungen im Stator sollten einen Widerstand von rund 2Ω bei der 12V Version und rund 8Ω bei der 24V Version haben. Weiter sollte der Widerstand zwischen der Wicklung und dem Gehäuse grösser als 10kΩ sein. Weiter gibt auch eine Messung des Wechselstromes bei den entsprechenden Eingängen der Gleichrichter Auskunft über den Zustand des Generators. Nach dem Herausnehmen der Turbine aus dem Wasser kann ein einfacher Test durchgeführt werden. Man unterbricht die Verbindung des Generators zur Batterie. Darauf dreht man den Propeller von Hand und schliesst gleichzeitig den Ausgang des Generators kurz. Beim Kurzschliessen muss ein deutlich grösserer Drehwiderstand am Propeller spürbar sein. BEACHTE: Ein Umbau eines 12V Generators auf 24V durch eine Serieschaltung der Statorwicklungen ist nicht möglich, wegen der Phasenverschiebung der Wechselspannung. 24V Unterwasserturbinen sind erhältlich bei. 12/14

13 5 Betrieb Nach dem die Unterwasserturbine installiert und in Betrieb genommen wurde, kann sie in der Strömung platziert werden. Die Geschwindigkeit des Wassers sollte grösser als 1m/s sein. Darunter ist die Ausgangsleistung des Generators eher gering. 5.1 Leistungs-Kennlinien Ausgangsstrom an 12V Strom [A] Ausgangsstrom Wassergeschwindigkeit [m/s] Kraft an der Turbine [kg] Kraft an der Turbine [kg] Wassergeschwindigkeit [m/s] Kraft an der Turbine [kg] 13/14

14 Strom in Abhängigkeit der Drehzahl Strom [A] Strom [A] Drehzahl [1/min] 6 Laderegler Um die Batterie vor dem Überladen und dem Tiefentladen zu schützen, empfehlen wir einen Laderegler. Dieser muss bei voller Batterie eine hohe Spannung aushalten können. 14/14