Kleinwindanlage am Bolbro-Haus

Schleifringe

Details

Wie schon im Beitrag Tipps und Tricks beschrieben habe / hatte ich leider Probleme mit den (fehlenden) Schleifringen. Die Anzahl der 360 Grad Drehungen ist so hoch, dass auch eine regelmässige Kontrolle der Verdrehung der Generatorkabel eine übermässige Verdrillen nicht sicher verhindern kann. Konkret hatte sich das Kabel einmal so stark verdreht, dass die beiden Kabel für die Windsensoren mit eingewickelt und dann abgerissen wurden. Im Ergebnis bedeutet das, dass der Mast zur Reparatur gelegt werden muss...

Insoweit habe ich mich auf die Suche nach einer "Nachrüstlösung" gemacht und möchte die hier beschreiben.

Die nicht nachrüstbare Lösung von Braun basiert auf drei Schleifringen die in der Gondel installiert sind. Sie sorgen dafür, dass auch bei einer Drehung der Gondel das Generatorkabel im Mast von dieser Drehung entkoppelt ist und damit dauerhaft "steht". Vorteile sind hier ein komplett abgestimmtes System ohne Drehung im Mast. Als Nachteil hat man ein weiteres Bauteil in einer exponierten und i. A. nicht zugänglichen Position. Wenn es hier wegen Verschleiss, Überspannung oder Feuchtigkeit also zu Problemen kommt, muss das Mast wieder runter.

Für eine Nachrüstlösung habe ich deshalb einen anderen Ansatz gewählt: der Schleifring wird am Mastfuss hinter der Sorgeklappe installiert. Damit dreht sich der Generatorkabel von Gondel bis zum Mastfuss zwar weiterhin, es entsteht aber kein Verdrillen und keine übermässige Spannung auf dem Generatorkabel. Das ist eine komplett andere Situation als die, die ich mit den Windsensoren hatte: hier war die Verdrehung so stark, dass das Kabel wie bei einem Korkenzieher mit grossen Kräften die Sensorkabel aufgewickelt hat. Meine Hoffnung ist, dass bei einer Drehung der Schleifring unten schnell für "Entspannung" sorgt und es damit nicht wieder zu einer Havarie kommt.

Schleifringe gibt es in einer Vielzahl von Bauformen und Ausführungen. Sie werden von spezialisierten Unternehmen zumeist individuell hergestellt, basieren dabei aber auf einem "Baukasten" von Komponenten die kombiniert werden. Dazu gehören Gehäuse, Schleifkontakte in verschiedenen Stärken und anderes. Das nennt man "mass-customization", also ein Verfahren das im Grundsatz individuelle Lösungen erlaubt, dabei aber auf leichte Adaptierbarkeit durch den Baukasten bauen kann.

 Schauen wir als nächstes mal auf die Anforderungen:

  • Anzahl Schleifringe: die Turbine erzeugt Drehstrom auf drei Aussenleitern, wegen Symmetrie ohne Nullleiter / Sternpunkt; entsprechend nimmt man drei Schleifkontakte
  • Spannungsfestigkeit: das muss man sich bei einer Kleinwindanlage genau ansehen. Die Anlage von Braun ist so aufgebaut, dass Spannungen bis 600V DC gehandhabt werden können. Kurzzeitig und in Fehlerfällen, kann dieser Wert aber auch noch überschritten werden. Was bedeuten 600 V DC auf der Turbinenseite? Hier haben wir ja eine dreiphasigen symmetrischen Wechselstrom - also "Drehstrom". 600 V nach Gleichrichtung entsprechen einer effektiven Aussenleiter / Aussenleiter Spannung von 444 V, beschrieben durch ULL-eff. Das ist also die Spannung die im mittel zwischen zwei der drei Aussenleiter herrscht. Betrachtet man die Situation in der die Spannungen auf den Sinuswellen zwei Aussenleiter maximal auseinander liegt, ist man bei 629 V, beschrieben durch ULL-peak. Das ist das Minimum, dass die Isolation zweier Schleifringe aushalten muss. Nimmt man hinzu, dass die Spannung in Ausnahmefällen auch mal höher sein kann und etwas "Puffer" nie schadet, sollten die Schleifringe ca. 800 V aushalten. Damit sind praktisch alle Schleifringe die man "aus dem Regal" kaufen kann aussen vor.
  • Stromstärke: die Stromstärke bzw. Spitzen sind schwerer zu fassen. Bei Nennleistung von 7500 W und dabei auftretenden DC Spannung von 365 V sind das ca. 16 A (IL-eff) je Aussenleiter. Jetzt befinden wir uns aber in einem gekoppelten System aus Turbine und Wechselrichter bei dem Änderungen in der Drehzahl und Steuerung der Last gemäß Kennlinie kurzzeitig höhere Ströme auftreten lassen. Und auch hier muss man sich vergegenwärtigen, dass die Stromspitzen (siehe Sinus-Kurve bei der Spannung) schon bei Nennleistung 23 A (IL-peak) beträgt. Ich habe hier lieber mit dem Wert 11 kW des Generators gerechnet und eine Belastbarkeit je Schleifring von 40 A als Minimum gesetzt. Das führt wegen der massigeren Schleifkontakte dann schon zu einem größeren Bauteil.
  • Haltbarkeit: Hersteller von Schleifringen geben die Haltbarkeit gerne als Anzahl von Drehungen vor Bruch ab. Dieser Wert ist für unseren Anwendungsfall wenig hilfreich weil wir selbst in einer extrem Situation wie unseren am Ende doch wenige Umdrehungen haben. Die Angaben im Millionen-Bereich werden also ohnehin nie erreicht. Insoweit kann man die Haltbarkeit eigentlich nur durch Überdimensionierung und vollständige Erfüllung der hier diskutierten Kriterien erreichen. Um zu verstehen warum der Punkt besonders wichtig ist muss man sich klar machen, dass der Schleifring ein sicherheitsrelevantes Bauteil ist. Beispiel: bei Starkwind (hohe Belastung) rauchen ein oder mehrere Ringe ab. Damit kommt es entweder zu einem Kurzschluss der Generatorleitungen und damit "Durchbrennen" der Turbine, oder zu einer Unterbrechung der Leitung. Das wiederum bedeutet, dass der Generator ohne oder mit reduzierter Last läuft und nicht mehr eingebremst werden kann. Leerlauf bei starkem Wind also und entsprechend Bruch.   
  • Schutz gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung: im Mastfuss ist der Schleifring zwar vergleichsweise gut geschützt, es gibt aber auf jeden Fall eine erhöhte Luftfeuchtigkeit und Kondenswasser bei Temperaturschwankungen. Entsprechend ist IP54 wohl das Minimum was man hier wählen sollte. 

Als Bauform bieten sich gekapselte Schleifringe an. In unserem Fall wird der Schleifring "fliegend" in das Generatorkabel eingeschleift: bislang habe ich ja einen CEE Stecker am Erdkabel und eine CEE Buchse am Generatorkabel. Entsprechend kann man eine Konstruktion wählen die nach unten eine CEE Buchse, nach oben einen CEE Stecker und mittig das gekapselte Gehäuse mit Schleifringen integriert. Vorhandene Stecker und Buchse werden dann einfach dazwischen gesteckt. Das Schleifring-Gehäuse ist tonnenförmig aufgebaut mit einer Rotor und einer Stator-Seite. Beide Seiten führen drei Kabel heraus und sind zueinander drehbar. Meine Lösung nutzt (mal wieder) 3D Druck um Stator und Rotor-Seiten mit je einem Stecker / Buchse zu verbinden.

Ich hatte damit angefangen nach Schleifringen zu recherchieren und erwartet Kataloge zu finden aus denen man dann halt das passende aussucht. Es gibt ein paar Standard-Schleifringe die man auf Amazon, eBay etc finden kann. Die laufen aber in der 230/400V Kategorie und sind damit nicht nutzbar. Bei grösseren Herstellern wie MOFLON findet man Kataloge, die Schleifringe bekommt man da aber auch erst nach Herstelleranfrage. Die fragen dann die Kriterien an und wählen einen passen Schleifring aus bzw. passen einen vorhandenen an. Bei MOFLON sind angeblich 60% der Schleifringe Einzelanfertigungen. Ins Geschäft bin ich mit denen dennoch nicht gekommen. Sie waren für einen chinesischen Hersteller erstaunlich teuer und sind auf meinen Anforderungen zu Spannungsfestigkeit nicht richtig eingegangen. Wirklich gut lief es mit einer anderen chinesischen Firma namens CENO. Die wirkten kompetent, hatten keine Problem das Design parallel zu meinem Wissensaufbau mehrmals zu überarbeiten und haben dann auch noch ein wirklich gutes Angebot gemacht. Schlecht lief es mit der Firma RotarX aus Hamburg. Da hatte ich zuerst nachgefragt. Reagiert haben sie erst nach über einer Woche und nahmen telefonisch die Anforderungen auf. Das avisierte Angebot ist bis heute (nochmal drei Wochen später) nicht angekommen. Vermutlich liegt das auch daran, dass Schleifringe normalerweise an industrielle Marktteilnehmer gehen und dann auch in Stückzahlen. Da ist so eine einzelner Schleifring natürlich etwas traurig.

Der CENO Schleifring ist aktuell in Produktion und wird wohl in einer Woche hier eintrudeln. Ich aktualisiere den Artikel sobald er hier ist.

  • Modell ECO000-0350-IP54
  • Durchmesser 80mm, ca. 90mm lang
  • Aluminiumgehäuse IP54
  • Kabel AWG 7, Teflon, UL
  • 600 V ULL-eff und über 1000V ULL-peak
  • 50 A IL-eff (im Sinne Lebensdauer deutlich überdimensioniert)
  • bis zu 100 rpm

Im Bild sieht man einen Prototyp meiner Integration bei Nutzung eines 20 EUR MOFLON Schleifrings mit 30 A. In das große Gehäuse daneben kommt der CENO Schleifring.

UPDATE (2.8.2025)

Gestern sind die Schleifringe (ich schreib immer den Plural, die drei Ringe sind aber natürlich in einem Gehäuse verbaut) von CENO eingetroffen. Kamen mit vier Wochen nach Auftrag per FedEx hier gut verpackt und mit Prüfprotokoll an. Ein paar Tage vorher kommt die Aufforderung die Umsatzsteuer abzuführen, ein Zoll fällt für den Import solcher elektrischer Bauteile von China in die EU nicht an.
 
Die Ringe sind ein ziemlicher Brummer und wiegen 1.2 kg. Auch mit Blick auf die AWG 7 Kabel (entspricht 10 mm2 Querschnitt) würde ich vielleicht beim nächsten Mal doch 40 A statt 50 A in die Spezifikation schreiben. Alternativ AWG 8 - das ist immer noch dicker als die Kabel im Mast. Ein Kabel mit Feinlitzen muss man vor dem Einschrauben in den 32A CEE Stecker noch crimpen, die passen dann aber selbst in diese großen Anschlüsse nicht mehr rein. Entsprechend braucht man da Reduzierhülsen und ein grosse Crime-Zange.
 
Die Maße stimmen exakt mit der technischen Zeichnung überein, die Schleifringe passen sofort in das bereits 3D-gedruckte Gehäuse, insgesamt machen die Schleifringe einen sehr guten Eindruck. Die Verbindung zu Dose / Stecker ist wie schon angedeutet nicht einfach, so dicke Kabel sind einfach sehr störrisch.
 
Der Einbau ist dann super einfach - es hat mir aber wieder mal einen gewischt. Im Prinzip Dose vom Generator und Stecker am Erdkabel bei Windstille lösen, den Schleifring dazwischen stecken - fertig. Problem: nach dem Lösen der Verbindung ist zwar die Leitung zum Generator potentialfrei, die Leitung Richtung Erdkabel / Gleichrichter / Wechselrichter aber nicht. Warum das so ist, ist mir nicht klar. Im Prinzip dürfte es hier keine Spannung gegen Erde geben. Selbst unter der Annahme, dass die Ladung aus den verbauten Kondensatoren kommt, ist die Erd-Verbindung ohne Schaltplan erst mal nicht plausibel. Ich messe auf jeden Fall anschliessend 260 V Gleichspannung gegen Erde an den Kabeln. Autsch 😬. Also immer aufpassen.
 
Wichtig noch: die Leitungen sollte man nach Zusammenbau durchmessen. Schliesslich müssen alle drei Aussenleiter ohne Nullleiter stets funktionieren. Sonst funktioniert das mit dem symmetrischen Sternpunkt nicht mehr und es kann zu Bruch kommen.
 
Mittlerweile läuft die Anlage wieder, scheint alles gut zu sein.
 

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