Bouwen netkoppeling

[LauPro]

Inleiding
Al een tijdje loop ik met het idee in mijn hoofd om een generator met netkoppeling te maken. Ik heb er veel topics en documentatie over gelezen en het is voor de particuliere markt een beetje lastig onderwerp. Officieel moet een dergelijke constructie worden gekeurd etc, dit is allemaal veel te moeilijk en kostbaar en daarom wil ik graag even makkelijk uiteenzetten wat er allemaal nodig is:



Generator
De generator of het aggregaat zal een driefasig model zijn van rond de 10 KVA (+/- 8 kW), dit past prima binnen de 3x16A (3x16x230=11 kW). In eerste instantie wil ik het draaien op (rode) diesel, later ombouwen naar PPO en uiteindelijk ook op houtgas.

Lichtnet
Het lichtnet op de locatie waar ik het uit kan proberen is driefasig en bij de meter op 3x500A afgezekerd. De generatorgroep (3x16A) zal een aparte groep zijn waar alleen de generator op komt te draaien.

Netkoppeling
De netkoppeling zorgt ervoor dat de generator alleen aan het net gekoppeld zal worden door R1 als de generator en het net 'sync' zijn. In eerste instantie zal worden gekeken of de draairichting klopt van het aggregaat tov het lichtnet (tijdens het installeren). Ter ondersteuning zal hier het bekende 3-lampenschema worden toegepast die over elke fase op het relais zijn gezet. Als alle lampen uit zijn staat er geen stroom tussen de fasen en is de koppeling 'sync'.

Alle stuurelectronica wil ik in een microcontroller onderbrengen welke door een aparte accuvoeding wordt gevoed zodat deze electronica blijft werken ook als er een spanningsuitval is. Eventueel kan later dit schema worden uitgebreid met de zogenaamde 'eilandfunctie' waarbij de lokale belasting direct vanaf het aggregaat draait, bijvoorbeeld als er geen spanning op het lichtnet staat (calamiteiten).

Meting
De meting zal gebeuren icm een transformator en een diode, elke keer als er een halve fase/'puls' de microcontroller binnen komt is er een rotatie geweest. De netspanning (of -frequentie) is hierin leidend. Bij 50 Hz zou er elke 20ms een rotatie moeten zijn, de samplerate moet dus onder deze 20ms liggen. Ook de rotatiesnelheid (frequentie) van de generator kan zo worden gemeten. Uitgaande van een tolerantie van 2°:

code:

Bereken omwentelsnelheid: 1000 / 50 = 20 ms
20 / 360 = 0,056 ms
0,056 x 2 = 0,11 ms

Dit wil dus zeggen dat het verschil tussen meting 1 en meting 2 maximaal 5,5 0,11 miliseconden mag zijn waarmee de marge dat de generator 'recht' wordt getrokken 2° is, dit lijkt mij persoonlijk een acceptabele marge (vraagstuk?).

Procedure
Voor het maken van een netkoppeling wil ik devolgende procedure handhaven:
Stadium: GEEN Netkoppeling

• Controlleer of er pulsen zijn op Meting 1 (F1: is er netspanning?).
• Controlleer of er pulsen zijn op Meting 2 (F2: is er generatorspanning?).

1. Ok, er zijn 2 spanningen, stel F1 is 50 Hz (intern gemeten in ms: 20ms). Eerst moet de generator worden gekalibreerd op 50 Hz, dit kan door een simpel testje uit te halen, kijken welke waarde er nodig is om 51 Hz te maken en 49 Hz en hier een gemiddelde uit te trekken.
2. F1 en F2 liggen nooit meer dan 10ms uit elkaar, als F1 voor F2 een puls geeft loopt de generator 'voor' en visa versa.
3. Als de generator voor loopt zal deze moeten worden vertraagd. De microcontroller zal nu de generator op 49,5 Hz laten lopen, deze zal hiermee elke seconde 10ms achterlopen tov F1. Als de meting binnen deze seconde klopt dan loopt de generator sync.

Wanneer de sync voor 3 seconden in orde blijft geeft de microcontroller groen licht waarna het relais ingeschakeld kan worden. Op dat moment loopt de generator sync maar levert hij nog geen vermogen. Dit gebeurt pas als de gashendel open wordt gezet, dan zal de generator ook energie 'terug' gaan leveren.

Opmerkingen / vragen
• Er bestaan natuurlijk commerciële synchroscopen of synchronoscopen, deze zijn echter vrij prijzig en de techniek is niet ingewikkeld imo.
• Er zou voor kunnen worden gekozen dat de synchronoscoop alleen het gewenste toerental doorspeelt (in pulsen) en dat een aparte microcontroller op het aggregaat dit moet vertalen naar meer/minder gas. Het aggregaat geeft waarschijnlijk geen injectiesysteem en de carburateur zal dus via een servo moeten worden aangestuurd.
• Zijn de genomen marges (2°, 0,11ms etc) ruim genoeg, dit is ook afhankelijk per aggregaat natuurlijk. Liefst heb je deze op 0 maar dan kan het vrij lang duren voordat het aggregaat sync is (ook als de brandstof niet helemaal zuiver is).
• Hoe zit het met een eventueel spanningsverschil tussen de generator en het net? De synchroscoop zou dan nog met de AVR van de generator moeten babbelen.
• Natuurlijk moet de installatie nog worden voorzien van beveiligingen, bijvoorbeeld een sleutelslot om deze te activeren. Als de netspanning uit valt en de generator draait nog zal 1 van de 2 zekeringen eruit gaan (omdat deze dat nooit trekt). Een onderhoudstechnicus zal hiermee nooit onder spanning komen te staan. Eventuele verdeelkasten moeten wel worden gemerkt dat er een generatorgroep aanwezig is.

Klassieke synchronoscoop

Moderne synchronoscoop

Discussiestuk
Mijn bedoeling met dit topic is om dit type netkoppeling te bespreken en uiteindelijk natuurlijk zo veilig mogelijk te maken. Deze kan ook worden gebruikt voor bijvoorbeeld windmolens of andere (ook éénfasige) generatoren (waterkracht etc).

• Voorbeeld van syncronoscoop in actie

[ Voor 2% gewijzigd door LauPro op 17-11-2008 02:31 . Reden: Juiste ms-waardes nal post Rapture ]

[Megamind]

Ik weet niet zo heel veel van aggegraten e.d, maar ik weet wel dat bij profi generators je het magnetisch veld kan veranderen om de uitgangsspanning te kunnen veranderen. Je moet er bij dit aggegraat maar uitgaan dat er 230v uitkomt, en dat zal lager zijn als hij vertraagt.

[naftebakje]

Nee hoor, dat maakt niet zoveel uit. Je generator moet uiteraard geschikt zijn om 230V te leveren op 50Hz, en liefst heb je ook dat de motor die de generator aandrijft op dat toerental zijn maximaal koppel levert.
Onbelast (tijdens het inregelen) zal de spanning hoger zijn op de generator, bij het koppelen zal er dan wat vereffeningsstroom heen en weer lopen, en zal de stroom stabiliseren naar een bepaalde waarde (afhankelijk van hoeveel energie je in de generator stopt).
In het gekoppelde geheel is het net de krachtigste, en zal deze de draaisnelheid van de generator bepalen, al wat je kan is wat stroom van of naar het net laten lopen door de gasregeling van de motor.

Een regelbaar magnetisch veld in de generator wordt gebruikt voor hoogvermogensopstellingen, daarbij heb je een hulp-dynamo op de as zitten, die op zijn rotor een DC spanning opwekt die de rotor van de hoofd-alternator bekrachtigd. Door de bekrachtiging van de stator van de hulp-dynamo te regelen, wordt de bekrachtiging van de hoofd-alternator geregeld (zo moeten er geen koolborstels gebruikt worden, want die slijten nogal).
Het nut van die bekrachtiging, is dat het aangeleverde vermogen heel eenvoudig en snel aangepast kan worden, om in te kunnen spelen op de variabele vraag van het net (want bij deze hoge vermogens kan er wel een merkbaar effect op het net zijn), wat minder gas geven in de verdamper zal je niet zo snel merken aan de stoomturbine.

@LauPro: een eenvoudiger model lijkt me om de generator als startmotor te gebruiken. Gebruik het net op de generator om die te doen draaien (ster/driehoek voor de opstart), en begin dan gas toe te voegen tot je effectief energie levert aan het net. Je kan dan wel niet overschakelen tussen asynchroon en synchroon lopen, maar het lijkt me wel een veiliger oplossing.
De netsynchronisatie goed en nauwkeurig laten verlopen lijkt me nogal moeilijk, heb je voldoende kennis van regeltechniek (anders creëer je een oscillator of duurt het syncen eeuwigheden).

[ Voor 16% gewijzigd door naftebakje op 16-11-2008 11:05 ]

[Dre]

Je zou in een later stadium ook de restwarmte (koeling+uitlaat) van je aggregaat kunnen gebruiken voor de verwarming van een gebouw.

[tim427]

Boomarked!

Ik heb zelf ook heel lang over dit principe na gedacht. Heb zelf alleen nooit nagedacht dat het een duur apparaat is!

Zelf lijkt het me fantastisch om 1) onafhankelijk te zijn en 2) energie uit houtsnipper o.i.d. te halen... Dit is relatief goedkoop!

Oook zonnebloemolie is een idee.. Is per liter goedkoper dan diesel

[mux]

Wat voor generator wil je gebruiken? In principe is dit soort spul namelijk enkel lekker mogelijk met een synchrone generator, maar synchronisatie daarvan is zoals je al zegt lastig. Inductie is geen optie bij lage vermogens en imo is de logische keuze voor een thuissituatie eigenlijk niet een synchrone motor, maar een DC motor met inverter. Die inverter is ofwel gemakkelijk te kopen voor relatief weinig geld (<1000e) of zelf te maken met enige kennis van power electronics. Nou is dit niet echt een thuissituatie te noemen, maar de vermogens zijn vergelijkbaar.

Als je geen idee hebt waar ik het in de vorige alinea over heb gehad is het een goed idee om Electric Machinery van Fitzgerald te kopen op bol.com, anders wil ik graag je antwoord horen wat je ideeën met betrekking tot generatortype.

[ Voor 5% gewijzigd door mux op 16-11-2008 14:02 . Reden: verduidelijking van mn rantalinea ]

[AtomicShockwave]

Ik heb ook lang over een dergelijke constructie nagedacht, maar dan uitgaande van een gelijkspanning in een accubank. Wel veel omslachtiger als de methode die de ts beschrijft.

Ik wilde een zware push pull versterker bouwen die aangestuurd werd door een klein transformatortje die direct aan het net hing. De uitgangen van de trappen wilde ik vervolgens in een trafo sturen die het naar 230V bracht.

Voor DC naar AC leek het me een goede methode, maar wel eentje met flinke verliezen.

[mux]

In principe hoeft een inverter helemaal niet zo verliesgevend te zijn, zeker als je een geschakelde inverter bouwt. Die trafodingen zijn eigenlijk helemaal uit de tijd en ik zie niet zo snel in waarom je dat zou gebruiken bij deze vermogens - er zijn makkelijkere en lichtere methoden, zeg maar. Zeker bij 10 kVA zit je dan aan een trafo van 10 kg...

[AtomicShockwave]

ssj3gohan schreef op zondag 16 november 2008 @ 17:15:
In principe hoeft een inverter helemaal niet zo verliesgevend te zijn, zeker als je een geschakelde inverter bouwt. Die trafodingen zijn eigenlijk helemaal uit de tijd en ik zie niet zo snel in waarom je dat zou gebruiken bij deze vermogens - er zijn makkelijkere en lichtere methoden, zeg maar. Zeker bij 10 kVA zit je dan aan een trafo van 10 kg...

Mjah ik had het ook over netkoppeling in het algemeen, bij een zelfbouw windmolen bijvoorbeeld heb je het over een paar honderd watt maximaal.

[rapture]

Ergens in het grijs verleden, dat ik nog elektrische machines op de schoolbanken kreeg.

De manuele netsynchronisatie is ook een mogelijkheid. Je hebt een schakelaar/relais die fase 1 aan fase 1, fase 2 aan fase 2 en fase 3 aan fase 3 schakelt. Je kan tussen fase 1 en fase 1 lamp 1 zetten en hetzelfde tussen de andere fasen. Er zijn dus 3 lampen in driehoek op een bordje. Als de frequenties niet gelijk zijn, dan zal je de lampen zien ronddraaien tegen het verschil tussen de frequentie van het net en de generator. Je regelt de frequentie bij totdat de lampen niet meer ronddraaien. Er is een kleine frequentieverschil dat voor faseverschuiving tussen de generator en het net zorgt. Hoe groter de verschuiving hoe feller dan lampen samen branden en de lampen branden niet als het netjes in fase is, dan schakel je in. http://www.circuitsonline...iew/message/270601#270601

Deze procedure kan je proberen automatiseren.

[Techneut]

[b][message=31057923,noline]naftebakje schreef op zondag 16 november 2008 @ 10:58[/message.
.............
@LauPro: een eenvoudiger model lijkt me om de generator als startmotor te gebruiken. Gebruik het net op de generator om die te doen draaien (ster/driehoek voor de opstart), en begin dan gas toe te voegen tot je effectief energie levert aan het net. Je kan dan wel niet overschakelen tussen asynchroon en synchroon lopen, maar het lijkt me wel een veiliger oplossing.
De netsynchronisatie goed en nauwkeurig laten verlopen lijkt me nogal moeilijk, heb je voldoende kennis van regeltechniek (anders creëer je een oscillator of duurt het syncen eeuwigheden).

Toevallig ken ik dit principe. In dat ontwerp speelde de fabrikant het klaar om inderdaad asynchroon op toeren te komen (moet daar wel geschikt voor zijn natuurlijk, dus was de motor voorzien van zowel kooianker als bekrachtigingswikkeling) toerenschakelaar op de as die ingesteld was op 2800 omw/min die dan de gelijkstroombekrachtiging schakelde. Dat ging dan uiteraard met een stevige ruk op de rotor gepaard, maar het lukte vlekkeloos.
Daarna moet het inderdaad realiseerbaar zijn door vanaf dat moment gas toe te voeren tot je in plaats van energie ontvangt energie levert. Vervolgens nog een mogelijkheid van spanningsregeling om het blindvermogen binnen de perken te houden en klaar.

[LauPro]

Bij deze even een schema voor de befaamde 'driehoek lampenopstelling':

Megamind schreef op zondag 16 november 2008 @ 10:33:
Je moet er bij dit aggegraat maar uitgaan dat er 230v uitkomt, en dat zal lager zijn als hij vertraagt.

naftebakje schreef op zondag 16 november 2008 @ 10:58:
Nee hoor, dat maakt niet zoveel uit. Je generator moet uiteraard geschikt zijn om 230V te leveren op 50Hz, en liefst heb je ook dat de motor die de generator aandrijft op dat toerental zijn maximaal koppel levert.
Onbelast (tijdens het inregelen) zal de spanning hoger zijn op de generator, bij het koppelen zal er dan wat vereffeningsstroom heen en weer lopen, en zal de stroom stabiliseren naar een bepaalde waarde (afhankelijk van hoeveel energie je in de generator stopt).
In het gekoppelde geheel is het net de krachtigste, en zal deze de draaisnelheid van de generator bepalen, al wat je kan is wat stroom van of naar het net laten lopen door de gasregeling van de motor.

Ik begrijp dus dat eventueel spanningsverschil tussen de generator en het net niet zo heel veel uit maakt. Het net is niet op alle plaatsen 230V, kan ook 220V zijn.

Een regelbaar magnetisch veld in de generator wordt gebruikt voor hoogvermogensopstellingen, daarbij heb je een hulp-dynamo op de as zitten, die op zijn rotor een DC spanning opwekt die de rotor van de hoofd-alternator bekrachtigd.

Ik denk dat tot de 1 MW dat niet van toepassing is, dan kan je beter de generator afschakelen. Er zijn ook gebruikers die zo 5-10MW uit het net halen (bijv. treinen) welke ook zonder problemen dit kunnen doen. Maar het zou wel voor het zoeken van een optimaal rendement van de motor handig kunnen zijn in dit geval (75% van 10KVA).

@LauPro: een eenvoudiger model lijkt me om de generator als startmotor te gebruiken. Gebruik het net op de generator om die te doen draaien (ster/driehoek voor de opstart), en begin dan gas toe te voegen tot je effectief energie levert aan het net. Je kan dan wel niet overschakelen tussen asynchroon en synchroon lopen, maar het lijkt me wel een veiliger oplossing.

Is heel eenvoudig, al vraag ik me af of deze generator zonder veel poespas dat kan. Ik had het over een AVR, dat is bij een synchrone generator natuurlijk niet van toepassing, dan gaat het idd via het aanpassen van het spanningsveld.

De netsynchronisatie goed en nauwkeurig laten verlopen lijkt me nogal moeilijk, heb je voldoende kennis van regeltechniek (anders creëer je een oscillator of duurt het syncen eeuwigheden).

Ik durf de uitdaging wel aan, het gaat zoals uit de berekeningen blijkt om een synchronisatie op enkele miliseconden dat zou zeker haalbaar moeten zijn met een eenvoudige microcontroller.

awaarle schreef op zondag 16 november 2008 @ 11:50:
Je zou in een later stadium ook de restwarmte (koeling+uitlaat) van je aggregaat kunnen gebruiken voor de verwarming van een gebouw.

Dat is helemaal het plan, maar valt even buiten de scope van dit topic. Misschien straks ik nog een apart topic over het gebruiken van een generator als CV-installatie thuis en electriciteitscentrale.

Over het verhaal van de inverters en DC-stromen. Dit zou voor een kleine 1-2KVA generator zeker rendabel kunnen zijn maar ik denk niet serieus te nemen bij een driefase-opstelling. Mocht je al een batterijbank hebben staan is het wat anders. Maar dan praat je eerder over een autonoom systeem en mij gaat het niet zozeer om die autonomie maar vooral om de electriciteitsrekening te drukken. Dat bij bepaalde vermogen autonomie vrijwel automatisch om de hoek komt kijken is dan mooi meegenomen.

code:

Gemiddeld verbruik huishouden = 3500 kWh
75% van maximale vermogen is meest efficiënt: 8 x 0,75 = 6 kW
Per uur opgewerkt: 6 kWh
Per dag: 144 kWh
Na 24 dagen zou je voor een jaar hebben gecompenseerd.

Het is natuurlijk de vraag of zo'n relatief zware generator dan wel handig is omdat je relatief snel door je 'jaarverbruik' heen bent. Met een kleine generator zou je langer kunnen doen. De ellende is wel dat je op een kleinere generator niet volledig autonoom kan draaien. Voor een wasmachine, vaatwasser en wat overig electra heb je echt wel 10KVA nodig.

[rapture]

LauPro schreef op zondag 16 november 2008 @ 20:03:
Ik durf de uitdaging wel aan, het gaat zoals uit de berekeningen blijkt om een synchronisatie op enkele miliseconden dat zou zeker haalbaar moeten zijn met een eenvoudige microcontroller.

Aan je eerste schema te zien, probeer je de spanning tussen een fase en de nulgeleider te meten. Je kan daarmee nuldoorgangen met enkele ms tolerantie bepalen. Als de nuldoorgangen overeenkomen, dan zouden ze synchroon lopen. Wie zegt dat de frequenties overeenkomen? Je weet alleen dat 1 van de 3 fasen in fase is en je weet niks over wat de andere fasen aan het doen zijn.

Laten we hopen dat je niet over deze milliseconden spreekt.


Het is eerder bijregelen, verschillen tot het minimale herleiden en dan pas inschakelen. Als de verschillen klein genoeg zijn, dan komt het niet op een seconde aan. De lampen knipperen dan heel traag zodat de lampen meerdere seconden gedoofd zijn.

[LauPro]

rapture schreef op zondag 16 november 2008 @ 20:20:
Aan je eerste schema te zien, probeer je de spanning tussen een fase en de nulgeleider te meten. Je kan daarmee nuldoorgangen met enkele ms tolerantie bepalen. Als de nuldoorgangen overeenkomen, dan zouden ze synchroon lopen. Wie zegt dat de frequenties overeenkomen? Je weet alleen dat 1 van de 3 fasen in fase is en je weet niks over wat de andere fasen aan het doen zijn.

Ik ga uit van de nuldoorgangen inderdaad daarmee kan je de frequentie meten lijkt me. Als F1 om de 20ms door de nul gaat zal deze op 50 Hz lopen (1000/20). De spanning zegt eigenlijk niet zoveel, de scheidingstrafo's zijn alleen maar om aan te geven dat het gescheiden is.

Laten we hopen dat je niet over deze milliseconden spreekt.
[afbeelding]

Het is eerder bijregelen, verschillen tot het minimale herleiden en dan pas inschakelen. Als de verschillen klein genoeg zijn, dan komt het niet op een seconde aan. De lampen knipperen dan heel traag zodat de lampen meerdere seconden gedoofd zijn.

Als voorbeeld had ik dat even berekend en heb ik het inderdaad over 5ms faseverschuiving. Je kan dat wel gigantisch uitvergroten, eerlijk gezegd weet niet ik niet wat een acceptabele marge is. Het liefst heb ik 0ms, maar afhankelijk van de nauwkeurigheid van de opstelling is dit misschien niet haalbaar. Ik vind 5ms (dat is maar 2 graden!) dan eigenlijk wel acceptabel. Als je in een auto zit en je laat plots de koppeling op komen zal de drijfstang zeker meer dan 2 graden worden verdraaid.

En ook professionale synchronoscopen meten maar het verschil tussen 2 fasen, je kan toch niet iedere fase apart bijregelen. Eventueel een draairichtingsdetectie (of -beveiliging) zou niet verkeerd zijn.

edit: ik zie het al, er zit een fout in mijn berekening van graden naar ms:

code:

Bereken omwentelsnelheid: 1000 / 50 = 20 ms
20 / 360 = 0,056 ms
0,056 x 2 = 0,11 ms

[ Voor 9% gewijzigd door LauPro op 16-11-2008 20:58 ]

[Techneut]

LauPro schreef op zondag 16 november 2008 @ 20:03:
Bij deze even een schema voor de befaamde 'driehoek lampenopstelling':
[afbeelding]

Inderdaad een heel befaamd schema. We kregen het destijds ook uitgebreid voorgeschoteld bij mijn studie. Komt bij mijn weten niet zo heel veel meer voor en is doorgaans vervangen door de synchronoscoop. Althans als handsynchroniseren nog gewenst is. Meestal is het parallelschakelapparaat (ofwel synchroniseerapparaat) automatisch en meer dan eens laat men dan de synchronoscoop achterwege omdat er vaak toch niemand bij aanwezig is.

Alleen één kleinigheid, wij leerden het schema vroeger met twee van de drie lampen zoals hier getekend tussen gelijknamige polen en één tussen de fasen b.v. fase R van de generator en fase T van het net. Gaf nog een iets sprekender beeld (vond men), met de lampen achter matglas een schijnbaar roterend beeld.
Moment van op de IN-knop mogen drukken was dan voldoende gelijke spanningen, langzaam genoeg roteren van de lampen en het moment dat twee lampen gedoofd waren en eentje (bijna) maximaal oplichtte. Kan ook net andersom zijn geweest, dat weet ik niet meer, is te lang geleden.
Ten overvloede zette men dan ook nog een voltmeter tussen gelijknamige polen. Het zal duidelijk zijn om het inschakelmoment nog meer te accentueren.

[LauPro]

Ja de synchronoscoop is ook een beetje een geilheidsfactor, strikt genomen is het niet nodig maar voor demonstraties wel handig. Ik heb nog wat frequentiesverschillen gevonden:

0.1 Hz	fly wheel sets of medium and big size
0.2 Hz	fly wheel sets of small size, turbine sets and Diesel engine generating sets above 500 kW.
0.4-0.6 Hz	Diesel engine generating sets from 50 - 500 kW
0.7-1.5 Hz	Diesel engine and combustion engine driven generating sets up to 60 kW, with the suppositions: no heavy fly wheel, compound alternators and quick switch- ing circuit breakers.

http://doc.seg-pp.com/doku.pdf/function/sy2/sy2_e.pdf
Verder is het wel leuk om een bord te hebben met wat spanningsmeters, al hoewel je er dan vrij veel nodig hebt, of je moet met omschakelstanden werken. Er zijn tegenwoordig ook al 'slimme' meters die driefasen in 1 keer weer kunnen geven (op V, A, Hz, powerfactor etc):

Conrad 122340