Autark und punktgenau dimensioniert

Synchrongenerator für Hybridsysteme

 

In Kürze

  • Ziel: Effiziente Energiewandlung und kompakte Bauform durch intelligente Kombination Diesel-Aggregat mit Solarenergie für eine autarke, netzferne Energieversorgung von Mobilfunksendeanlagen
  • Umsetzung: Individuelle Anpassung eines 6-kW-Synchrongenerators von Johannes Hübner Giessen an die speziellen Eigenschaften der Batterie in Verbindung mit einem Diesel-Antrieb
  • Ergebnis: Verringerte Betriebskosten durch Einsparung von Diesel-Kraftstoff und Vermeidung von hohen Transportkosten zum abgelegenen Zielort
Autarkes Hybridsystem für Outdoor-Einsätze mit Drehstrom-Synchrongenerator von Hübner. (© b+w Electronic Systems)Autarkes Hybridsystem für Outdoor-Einsätze mit Drehstrom-Synchrongenerator von Hübner. (© b+w Electronic Systems)  
Der Synchrongenerator von Hübner Giessen in einem autarken Energieversorgungssystem. (© b+w Electronic Systems)Der Synchrongenerator von Hübner Giessen in einem autarken Energieversorgungssystem. (© b+w Electronic Systems)  
Aufbau einer mobilen Energieversorgungseinheit. Der von einem Dieselaggregat angetriebene permanenterregte Synchrongenerator lädt über eine Lade- und Schutzelektronik eine Batterie.Aufbau einer mobilen Energieversorgungseinheit. Der von einem Dieselaggregat angetriebene permanenterregte Synchrongenerator lädt über eine Lade- und Schutzelektronik eine Batterie.  
 

Die flächendeckende Energieversorgung ist in manchen Regionen wie etwa in Teilen Afrikas und Asiens keine Selbstverständlichkeit. Der Spezialist Johannes Hübner – Fabrik elektrischer Maschinen GmbH konzentriert sich daher mit dem Geschäftsbereich Energie- und Antriebssysteme auf Hybridlösungen, die eine autarke Energieversorgung auch in netzfernen Gebieten ermöglicht. Das in Gießen ansässige Unternehmen hat dazu einen Drehstrom-Synchrongenerator mit Permanenterregung entwickelt. Dieser lässt sich zusammen mit einem Dieselaggregat beispielsweise zur Versorgung von Mobilfunksendeanlagen einsetzen und mit Solar- und Windenergie als auch anderen Energiequellen verbinden. Im Vordergrund steht dabei die optimale Nutzung der regenerativen Energien in Kombination mit Dieselmotoren bei möglichst geringem Bedarf an Dieselkraftstoff. 

Das Dieselaggregat gibt in seinem optimalen Arbeitsbereich von 1.900 – 2.100 min-1 eine Leistung von 6 kW ab. Mit dem durch das Dieselaggregat angetriebenen Drehstrom-Synchrongenerator der DSG-P-Baureihe lässt sich über eine Lade- und Schutzelektronik eine Lithium-Ionen-Batterie mit den Kenndaten 48 V / 320 Ah laden. Dabei stellt ein optimales Anlaufverhalten bei niedrigen Drehzahlen eine gleichbleibende Versorgung sicher. 

Da die technischen Merkmale der Lithium-Ionen-Batterie die Einspeisung von konstant 100 A Gleichstrom erfordern, ist das System neben einer Ladeelektronik auch mit einer Zellüberwachung ausgerüstet. Durch den Ladevorgang erhöht sich die Spannung der Batterie graduell. Der Synchrongenerator muss deshalb nach und nach eine höhere Generator-Spannung erzeugen. Die schrittweise Erhöhung der Generator-Spannung erfolgt über eine höhere Drehzahl bzw. ein schnelleres Drehen, da sich beide Kenngrößen proportional zueinander verhalten. Die kontinuierliche Einspeisung von konstant 100 A Gleichstrom in die Batterie wird mittels einer Regelung sichergestellt.

Dabei ist der 6-polige Synchrongenerator der Johannes Hübner GmbH das Bindeglied zwischen den Eigenschaften des Dieselmotors und den Eigenschaften der Batterie. Um den optimalen Drehzahlbereich des Dieselmotors und gleichzeitig die korrekte Versorgung der Batterie mit Spannung und Strom sicherstellen zu können, ist es unbedingt notwendig, die Spezifikationen zu berücksichtigen.

Die korrekte Auslegung für den Generator-Direktbetrieb an einer Batterie ist jedoch wegen der unterschiedlichen Charakteristiken der einzelnen Batterien nur schwer zu berechnen. Die Experten von Hübner Giessen empfehlen deshalb, auf Erfahrungswerte zurückzugreifen. Das können zum Beispiel die Messergebnisse ähnlicher Maschinen sein. Aber auch ein Probelauf in Verbindung mit der Originalanwendung ist anzuraten. 

Wesentliche Testergebnisse 

Seit der Prototyp des Synchrongenerators im Jahr 2010 gefertigt wurde, hat das Unternehmen Aggregate vom Typ DSG P 112.17-10 sowie DSG P 112.17-6 an Kunden ausgeliefert und es liegen inzwischen Testergebnisse vor. So hat beispielsweise ein Kunde das Zusammenspiel des Generators DSG P 112.17-6 mit der Originalbatterie seiner Applikation getestet. Dazu wurde die 48-V-Originalbatterie über einen Zeitrahmen von 1 Stunde und 15 Minuten geladen. Bei diesem Testaufbau erhöhte sich während des Erwärmungslaufs innerhalb der ersten 45 Minuten die Drehzahl des Synchrongenerators von 2.000 min-1 auf 2.212 min-1. Während dieser Phase wurde der Strom konstant geregelt. Die Spannung der Batterie erhöhte sich hierbei geringfügig von 55 V auf 58 V. Nach Ablauf der ersten 45 Minuten blieb die Drehzahl des Generators konstant. Somit war es möglich, eine zu hohe Drehzahl zu vermeiden und den optimalen Arbeitspunkt einzuhalten. Strom und Leistung sanken nach dem 45-minütigen Ladevorgang leicht ab.

Im Bereich zwischen 2.000 - 2.100 Umdrehungen lädt der Generator eine Leistung von 5 kW in die Batterie. Will man das Überhitzen des Synchrongenerators und das Laden einer zu geringen Leistung verhindern, sind eine exakte Wicklung sowie eine äußerst genaue Dimensionierung erforderlich. Dazu ist die akkurate Anpassung des Arbeitsbereiches des Synchrongenerators in den optimalen Drehzahlbereich des Dieselmotors erforderlich.

Ausgeklügelte Ausstattung

Die Auslegung des mit Eigenkühlung ausgestatteten Synchrongenerators an der Leistungsgrenze bedingt einen kompakten und platzsparenden Bauraum. So lässt sich das gesamte System in einem Container mit den ca.-Maßen von 120 cm Breite, 80 cm Tiefe und 200 cm Höhe unterbringen. Im Übrigen ist der Generator vom Typ
DSG P 112.17-6 mit der Wärmeklasse F für eine Maximaltemperatur T max. von 155 °C bei einer Kühltemperatur von 40 °C ausgelegt. Der Synchrongenerator erfüllt auch die Anforderungen der Schutzart IP55 und ist somit gegen Staubablagerungen und vollständig gegen Berührungen sowie gegen Strahlwasser aus allen Richtungen geschützt. 

Mit der Betriebsart S1 ist der Generator auf Dauerbetrieb mit konstanter Belastung ausgelegt. Er weist eine Nennleistung von 5 kW sowie eine Nenndrehzahl von 2.000 min-1 auf. Der Hersteller gibt zudem weitere Leistungsparameter wie etwa die Leerlaufspannung mit 3 x 48 VAC / 65 VDC, die Nennspannung mit 3 x 43 VAC / 58 VDC und den Nennstrom mit 67 AAC / 86 ADC an. Ein Wicklungsschutz ist optional verfügbar. 

Vorteilhaft sind ferner nachfolgende Besonderheiten: Neben der Niederspannungswicklung ist der Generator mit einem großen Klemmkasten ausgestattet. Damit besteht die Möglichkeit, auf 100 A ausgelegte Kabelquerschnitte anzuschließen. Schließlich ist der Synchrongenerator so gut wie wartungsfrei, da  wartungsintensive Bauteile wie beispielsweise Schleifringe und Kohlebürsten entfallen. Lediglich ein Wechsel des Kugellagers ist etwa alle fünf Jahre durchzuführen.

Ein Gleichrichter ist in dem Drehstrom-Synchrongenerator nicht integriert. Hübner Giessen bietet jedoch einen Drehstrom-Brückengleichrichter mit angebautem Kühlkörper an. Dieser hat ein Gewicht von 2,3 kg und lässt sich separat im Schaltschrank der Applikation des Kunden montieren.