Elsystem, del 3 – Generator och laddning

I den här artikeln beskrivs hur en 12V eller 24V likströmsgenerator fungerar samt hru man gör för att ladda batterier i olika kretsar med samma generator. Du kan också läsa om s.k ”Load dump” och belastningen av generatorn vid laddning av litium-batterier.

Generatorns delar

  1. Drivremskiva
  2. Hölje med kylfläkt
  3. Rotor med induktiva spolar och bortsringar
  4. Stator med induktiva lindningar
  5. Hölje med rotorborstar, likriktare och triod-brygga
  6. Laddningsregulator
  7. Skyddskåpa

Generering och reglering av ström

När rotorns induktiva spolar är spänningssatta, skapar de ett magnetfält. När rotorn sätts i rotation när motorn går, skapar magentfälten en varierande spänning i statorns spolar (växelspänning). Spolarnas placering och rotorns konstruktion gör att statorn lämnar ifrån sig en 3-fas spänning som måste likriktas innan den kan användas i ett elsystem med likspänning.

Hur mycket ström generatorn skapar, beror dels av den spänning som regulatorn lägger på rotorns lindningar och dels av varvtalet. Ju högre spänning ju mer ström, ju högre varvtal (upp till en viss gräns), ju mer ström gör generatorn.

Regulatorn får ström från generatorn via en s.k triod-brygga. Innan motorn har startat finns ingen ström att få från generatorn och det har man löst genom att rotorlindningen får ström från batteriet när tändningen till motorn slås på. När motorn startat ökar strömmen från triod-bryggan, vilket gör att spänningen vid fältlindningen ökar till strax över batterispänningen. Det medför att det inte längre kommer någon ström från batteriet till fältlindningen.

Likriktning

I generatorn finns en s.k likriktare som gör om växelströmmen från statorn till likström med nominell spänning 12V eller 24V. Vilken spänning som genereras, beror av vilken spänning generatorn är konstruerad att generera.

Kopplingsschema

Ritningen nedan visar en vanligt kopplingsschema för en 12V/24V likströmsgenerator.

  1. Rotor med fältlindningar och släpringar för överföring av fältspänning från regulatorn till rotorns fältlindningar.
  2. Stator med spolar för generering av ström från de roterande magnetfälten från rotorn.
  3. Triod-brygga för överföring av den positiva delen av växelspänningen från statorn. Används av regulatorn för spänningssättning av rotorns fältlindning.
  4. Regulator som styr spänningen till rotorns fältlindning som avgör hur mycket ström som ska genereras. Ju mer spänning ju mer ström genereras.
  5. Likriktare av växelströmmen från statorn till 12V eller 24V likström beroende på vilken spänning generatorn är konstruerad att generera.

Generatorns uttag

B+

ansluts till batteriets pluspol (+12V). Anslutningen används dels av regulatorn för att erhålla batteriets aktuella spänningsnivå samt för att leverera laddningström till batteriet.

Om man vill koppla in en generator så att batteriminus inte har kontakt med motorblocket, behöver uttaget B- vara isolerat från generatorns hölje.

D+

Ansluts till motorns tändning.

F

En del generatorer har det här uttaget för att styra spänningen på rotorns fältlindning. Det gör att man kan koppla in en extern regulator utan att modifiera generatorn.

W

Ibland finns även det här uttaget som anger generatorns varvtal.

Ladda två batterier

Ofta finns ett 12V start-batteri och ett separat 12V Service-batteri som är inkopplade i olika elektriska kretsar.

Om man vill kunna ladda båda batterierna med samma 12V generator måste man bygga elsystemet så att ström kan ledas från generatorn till båda batterierna. Eftersom batterierna i de olika kretsarna kommer att ha olika spänningsnivå, måste konstruktionen förhindra att strömmen kan ledas från det ena batteriet till det andra.

Det finns några olika tekniska lösningar som förhindrar detta

  1. Använd en laddningsregulator med två separata anslutningar (dyrast)
  2. Använd en batteriseparator med minimalt spänningsfall
  3. Använd skiljedioder, har ca 0.5V – 0.2V spänningsfall beroende på sort

Laddningsregulator för 2 olika batterier

Den bästa lösningen är att använda en laddningsregulator som kan hantera två typer av batterier samtidigt. Det gör att kretsarna inte har någon elektrisk koppling alls (galvaniskt åtskillda). Regulatorn kommer att först ladda ena batteriet och när det är fulladdat laddas det andra batteriet. Orsaken är att regulatorn styr generatorns spänning efter vilken spänning batteriet laddas med.

Batteriseparator

Näst bäst att använda en batteriseparator som har väldigt lågt spänningsfall (under 0.1V). Det gör att generatorn kommer att känna av nästan samma spänning som batteriet har.

Det finns vissa komponenter som kallas för batteriseparatorer, men de har ett högre spänningsfall (kring 0.5V). Dessa behandlas som en lösning med skiljedioder som beskrivs i nästa avsnitt.

Laddningsströmmen från generatorn fördelas över de två batteri-kretsarna efter vilken resistans kretsarna har (Ohm’s lag och fallet med parallellkoplade resistorer).

Generatorns regulator har i regel bara ett laddningssteg (BULK) som innebär laddning med konstant ström (d.v.s så mycket som batteriet kan ta emot). Med två batterier att ladda varav det ena är ett LiFePO4, kommer strömmen i de flesta fall att begränsas av generatorns kapacitet.

Kretsen med lägst resistans får mest ström. Det här får till följd att spänningen som generatorn känner av, till största delen bestäms av batteriet med för tillfället lägst resistans. Men det gör inget eftersom regulatorn bara har ett laddningssteg (BULK). Det viktiga är att laddninsspänningen inte blir för hög för något av batterierna i de två kretsarna.

Bilden visar de två laddningskretsarna för 12V Start och 12V Service. Båda kretsarna har ungefär samma resistans i kablarna och säkringens resistans R1fuse är lägre än batteriets resistans och påverkar inte strömfördelningen i någon större utsträckning. Om man kände till batteriernas resistans, skulle man kunna räkna fram hur stor ström som går till respektive batteri.

Ju mer laddat ett bly-batteri (AGM) är, ju högre resistans får det. Ett Litium-batteri har i princip samma resistans ända tills det är nästan fulladdat (kring 97% laddat). Ett Litium-batteri som är laddat mindre än till 90% har alltid lägre resistans än ett bly-batteri.

Det gör att Litium-batteriet kommer att få den största delen av laddningsströmmen ända tills batteriet är laddat upp till åtminstone 90%.

I den här båten har start-kretsen ett AGM-batteri (bly) och service-kretsen ett Litium-batteri. Litium-batteriet är inställt på att koppla bort generatorn med det fjärrstyrda reläet när det är 90% laddat och då kommer start-batteriet att börja laddas för fullt.

Skiljedioder

Man kan även använda skiljedioder mellan generator och varje batteri. Eftersom dioderna har ett spänningsfall omkring 0.2V – 0.5V beroende på typ av diod, behöver laddningsregulatorn kompensera för detta så att spänningen över batteriet som laddas blir rätt.

Det finns flera varianter på kopplingar med dioder och är du intresserad av dessa ber jag dig leta upp andra källor för sån information. Principen är densamma, men lösningarna blir annorlunda.

Diskussion

Strömfördelning med batteriseparator

I de här lösningarna laddas batterierna i de olika delsystemen av samma generator och det medför att laddningsströmmen från generatorn fördelas över de två batteri-kretsarna efter vilken resistans kretsarna har (Ohm’s lag och fallet med parallellkoplade resistorer).

Generatorns regulator har bara ett laddningssteg (BULK) som innebär laddning med konstant ström (d.v.s så mycket som batteriet kan ta emot) upp till en viss laddningsspänning. Med två batterier att ladda varav det ena är ett LiFePO4, kommer strömmen i de flesta fall att begränsas av generatorns kapacitet.

Kretsen med lägst resistans får mest ström. Det här får till följd att spänningen som generatorn känner av, till största delen bestäms av batteriet med för tillfället lägst resistans. Det gör inget eftersom regulatorn bara har ett laddningssteg (BULK). Det viktiga är att laddninsspänningen inte blir för hög för något av batterierna i de två kretsarna.

Ju mer laddat ett bly-batteri (AGM) är, ju högre resistans får det. Ett Litium-batteri har i princip samma resistans ända tills det är nästan fulladdat (kring 97% laddat). Ett Litium-batteri som är laddat mindre än till 90% har alltid lägre resistans än ett bly-batteri.

Det gör att Litium-batteriet kommer att få den största delen av laddningsströmmen ända tills batteriet är färdigladdat. Därefter laddas bara start-batteriet.

BULK-steget för ett 12V LiFePO4-batteri har max batterispänning kring 14.2V medan ett AGM-batteri har 14.4V som max. Eftersom LiFePO4-batteriet i 12V-Service laddas klart först och därefter kopplas bort i den här lösningen, kan laddningsregulatorn för generatorn vara inställd på max spänning för start-batteriet (14.4V) utan risk att skada 12V-Service.

Strömfördelning med skiljedioder

Den här lösningen har samma egenskaper som batteriseparatorn förutom att generatorn känner av en batterispänning som är omkring 0.5V lägre än den på batteriet. Det gör att batterierna inte kommer att laddas upp lika mycket.

Man kan kompensera för detta genom att öka regulatorns spänning till batterierna med 0.5V.

Load dump

I en lösning som den här, där en stor ström från en generator kan brytas med en strömbrytare, uppstår något som kallas för ”Load dump”.

När laddningsregulatorn märker att spänningen stiger i elsystemet, sänker den spänningen över rotorns fältlindning. Men generatorn har energi lagrad i sin roterande rotor och den försvinner inte direkt när spänningen över fältlindningen sänks. Enda sättet för energin att försvinna är som ström från generatorn och det är det som ger upphov till ett överskott av energi när en stor förbrukare kopplas ifrån.

Om det inte finns någon annan stor förbrukare som kan ”ta hand” om överskottet av energi kommer spänningen att öka dramatiskt. Med effektformeln P=U*I går det att beräkna spänningsökningen. Om energin (P) är konstant och behovet av ström minskar från 90A till kanske 15A så blir spänningen 6 ggr högre en kort stund. Det innebär kring 70V i ett 12V system och 140V i ett 24V system!

Den här spänningsökningen kan orsaka att ex.vis generatorn eller motorns styrelektronik går sönder.

I vårt elsystem finns start-batteriet som kan ta hand om överskottet av elenergi och spänningshöjningen uteblir medan rotorns fält gör av med sin energi och regulatorn anpassat strömmen till den nya situationen.

En ”Load dump”-effekt inträffar alltid när en energikälla producerar mer energi än vad förbrukarna kan ta hand om. Därför det är viktigt att ha en regulator som stänger av leveransen av elektricitet från solpaneler och andra energikällor som är anslutna till elsystemet. Det finns även särskilda komponenter man kan installera i elsystemet som tar hand om ett energiöverskott.

Effektuttag generator

När man laddar ett litium-batteri, är strömmen hög under hela laddningsförloppet. Det innebär att en standardgenerator kommer att belastas hårt och riskera att bli överhettad, speciellt om generatorn har för lågt varvtal. Den här situationen undviks om motorn varvas upp till varvtalet för båtens marschfart.

Att ladda på tomgångsvarvtal ska alltid undvikas, de flesta installationer förutsätter ett högre varvtal på motorn för optimal laddning.

Om generatorns laddningsregulator känner till generatorns temperatur, kan regulatorn se till att begränsa strömmen från generatorn när temperaturen blir för hög.

%d bloggare gillar detta: