Notstromlösungen mit dem Gleichstromgenerator KS 48V-DC

Moderne Gesellschaft bewegt sich in Richtung Flexibilität und erneuerbare Energien.

Strominsellösungen und Stromversorgungssysteme mit Batterien sind zu einem Trend geworden und werden immer mehr verbreitet. Momentan erleben wir rasante Änderungen bei der Herstellung von Batterien und Akkumulatoren, die immer mehr unseren Alltag beeinflussen.

Stromspeicher werden immer öfter zum Teil unterschiedlicher Stromversorgungssysteme. PV-Anlagen, Windkraftanlagen, Elektroautos, Haushaltsgeräte mit Akkus, Computersysteme mit USVs, Telekommunikation, Überwachungssysteme usw. werden mit langlebigen Batterien ausgestattet.

Die Batterien werden entweder von einer Wechselstrom- oder einer Gleichstromquelle geladen. Der Wechselstrom muss aber erst gleichgerichtet werden, was bei höheren Leistungen ein technisches Problem von sich aus darstellt.

Die meisten AC/DC-Ladegeräte und auch Lademodule in den Wechselrichtern haben eine impulsartige Stromaufnahme und die meisten laden den Batteriespeicher ebenso impulsartig:

In Gelb ist die Netzspannung abgebildet. Bei Ladegeräten oder Lademodulen ohne die Leistungsfaktorkorrektur werden somit nur die Maxima der Sinuswelle verbraucht.

Impulsartige Stromaufnahme hat einen Leistungsfaktor 0,5-0,6, was eine hohe Blindleistung verursacht. Beim Betrieb vom öffentlichen Stromnetz macht es weniger Probleme, weil da mehrere Stromverbraucher parallel laufen und einander ausgleichen.

Bei Verwendung eines Wechselstromgenerators treten aber unterschiedliche technische Probleme auf, die dazu führen, dass man nicht mehr als die Hälfte der Nennleistung des Generators nutzen kann und Maßnahmen gegen die durch impulsartige Stromabnahme entstandene Oberschwingungen treffen muss um den Stromkreis zu stabilisieren.

In der Praxis führt es öfter zum instabilen Betrieb des Ladegeräts und sogar zum Schaden am Generator wie überhitzte Wicklungen, kaputter Spannungsregler oder Inverter-Modul.

Einen konventionellen Generator darf man nicht als Notstromquelle für eine USV oder einen Wechselrichter verwenden, da das Lademodul seine Spannung verzerren kann, was seinerseits die zu versorgenden Stromverbraucher beeinträchtigt. Generatoren mit Inverter-Technologie eignen sich dazu besser, aber da muss man mit Einschränkungen bei der Leistung rechnen.

GEICHSTROMGENERATOREN als Energiequelle für den Batteriespeicher lösen das Problem auf andere Weise  und haben in dem Sinne jede Menge Vorteile.

KS 48V-DC wird direkt an die Batterie oder an 48V-Sammelschiene angeschlossen und erfüllt die gleiche Funktion wie auch andere Gleichstromquellen wie z.B. ein Solarfeld oder Windrad mit einem Laderegler.

Das Laden der Batterie über den Solarladeregler hat einen komplizierten Charakter, je nach Stromaufnahme des Wechselrichters:

Auf dem Bild links wird kein Strom vom Wechselrichter zur Versorgung des Hauses entnommen und auf dem Bild rechts erfolgt die Stromabnahme impulsartig um eine Sinuswelle zu erzeugen.

Der Gleichstromgenerator hat mehrere Wicklungen und elektronische Regelung, was den Ausgangsstrom wesentlich gleichmäßiger macht. So sieht der Ladestrom (in Grün) einer LiFePo4-Batterie (ein Extremfall) bei 40A und 70A Stromstärke (Effektivwert):    

Die Restwelligkeit der Ausgangsspannung des Gleichstromgenerators ist sehr niedrig, was dennoch bei einer LiFePo4-Batterie eine Welligkeit des Ladestroms verursachen kann. Beim Anstieg der Ladestromstärke wächst die Differenz zwischen der eigenen Spannung der Batterie und der Spannung des Generators was zu einer Minderung der Welligkeit des Ladestroms führen kann.

Ein Gleichstromgenerator zum Laden der Batterien ist aus aller Sicht eine gute Lösung und in manchen Fällen gibt es auch keine bessere wenn überhaupt eine Alternative dazu.

So z.B. bei netzgeführten Wechselrichtern mit Notstrom-Funktion und mit einem Gleichstrom-Batteriespeicher gibt es keine Möglichkeit einen Wechselstromgenerator anstatt öffentliches Stromnetz zu verwenden, da so ein Generator durch Rückspeisung beschädigt werden kann. Der Gleichstrom-Batteriespeicher kann nur von einer Gleichstromquelle nachgeladen werden.

Könner & Söhnen arbeitet stets daran unseren Kunden gute Lösungen anbieten zu können. Eine sichere Stromversorgung ist enorm wichtig und die Gleichstromgeneratoren von Könner & Söhnen sollen dabei eine wichtige Rolle spielen. 

Der KS 48V-DC Gleichstromgenerator ist extra für 48V-Batteriespeicher entwickelt, deren Arbeitsspannungsbereich sich mit dem Bereich 48-54V überschneidet.

Hier sind die Parameter der meist verbreiteten Batterien im Vergleich:

Es ist unbedingt auf solche Parameter wie maximale Ladespannung, empfohlene Stromstärke und auch nutzbare Kapazität zu achten:

Die maximale Ausgangsspannung vom KS 48V-DC ist so ausgewählt dass auch bei AGM und Blei-Säure-Batterien keine Überladung passiert. Diese liegt im Bereich der Erhaltungsladung und kann den Batterien nicht schaden auch wenn der Generator mehrere Stunden läuft.

Soll die Spannung an der 48V-Sammelschiene auf 57V steigen (z.B. durch andere DC-Stromquellen) stoppt der Generator sofort unabhängig von dem Modus.

Die Lithium-Batterien sind mit BMS-Kontrollern ausgestattet und eine Überladung wird dadurch zusätzlich ausgeschlossen.

Der Spannungsbereich von 48-54V passt für die meisten 48V-Sammelschienen. Dabei ist auch der Spannungsabfall in den Kabeln vom Generator zu 48V-Sammelschienen zu achten, der je nach Stromstärke 0,5-1,0V betragen kann.

Der KS 48V-DC funktioniert wie ein Ladegerät oder ein Lademodul mit IoU-Kennlinie:

Er erfüllt praktisch die gleiche Funktion wie auch andere an die 48V-Sammelschiene angeschlossene Gleichstromquellen und liefert Energie in das System bei Bedarf.

Durch vorhandene AUTO oder EXTERNAL CONTROL Modus können unterschiedliche Funktionsalgorithmen realisiert werden. Bei der Wahl zwischen AUTO und EXTERNAL CONTROL Modus ist auf die Besonderheiten des zu versorgendes Systems zu achten. Wenn der Generator läuft und ist die einzige Gleichstromquelle an der 48V-Sammelschiene, übernimmt er praktisch die gesamte Stromversorgung, da seine Ausgangsspannung in dem Fall immer etwas über der Batteriespannung bleibt. Wenn der mittlere Energiebedarf über 50% der Nennleistung des Generators liegt (z.B. Telekommunikationssysteme), empfehlen wir mehrere KS 48V-DC zu verwenden um die Leistung zu steigern:

Die gesamte Nennleistung der parallel geschalteten Gleichstromgeneratoren soll mindestens doppelt so hoch sein wie der mittlere Stromverbrauch der angeschlossenen Stromverbraucher, damit ein ununterbrochener Betrieb auf Dauer gewährleistet werden kann. So kann z.B. die Hälfte der Gleichstromgeneratoren laufen während die andere Hälfte abgekühlt, gewartet oder getankt werden kann.

Im AUTO Modus wäre so ein System auch selbstregulierend. Auch kleine Abweichung bei der Startspannung des Generators führt dazu, dass zuerst der 1. Generator startet und die anderen kommen dazu wenn die Batteriespannung weiter sinkt, falls die Leistung des 1. Generators alleine nicht ausreicht. Soll der Ausgangsstrom bei einem der aktiven Generatoren unter 20A kommen, wird er innerhalb von 30 Sekunden ausgeschaltet während die anderen Generatoren weiter laufen.

Sollen andere Gleichstromquellen an der 48V-Sammelschiene aktiv werden (Lademodul des Wechselrichters oder der USV, AC/DC-Wandler, Laderegler der PV-Module oder des Windrads, etc.) und die Stromversorgung zum Teil oder vollständig übernehmen, sinkt die Stromabnahme an dem KS 48V-DC und wenn er sich im AUTO-Modus befindet, schaltet die Steuerung den Generator ab. Sollen mehrere KS 48V-DC parallel laufen, werden diese nach einander abgeschaltet und bleiben nur diejenigen weiterlaufen wo die Stromabnahme die 20A übersteigt. Dadurch wird der Kraftstoff gespart, da der Motor nicht mit niedriger Belastung, sondern im wirtschaftlichen Drehzahlbereich läuft.

Im EXTERNAL CONTROL Modus werden die KS 48V-DC ausschließlich über externe potentialfreie Kontakte ein- und ausgeschaltet, außer Überspannungsschutz, der den Generator bei 57V abschaltet.

FUNKTIONSWEISE IM AUTO MODUS

Der Generator im AUTO-Modus überwacht die Spannung der zu versorgender Batterie und startet automatisch beim Erreichen vom unteren Spannungswert von 47,5-48V. Reaktionszeit ca. 5 Sekunden.

Der Generator lädt die Batterie mit der Spannung von bis 53,5-54V und mit dem Strom von bis zu 70-75A und geht aus sobald die Spannung 53,5-54V erreicht und der Ladestrom unter 20A kommt.  Reaktionszeit ca. 30 Sekunden.

Der Generator kann durch Drücken des START-Knopfes jederzeit gestartet werden unabhängig von der Batteriespannung, wird aber innerhalb von 30 Sekunden gestoppt nachdem die Stromabnahme unter 20A kommt.

Die grüne Signalleuchte (Betriebsanzeige) leuchtet ununterbrochen wenn die Stromabnahme 20A übersteigt und blinkt wenn die Stromabnahme auf unter 20A kommt.

Soll die Stromabnahme in dem jeweiligen Fall rein technisch nie unter 20A (48V-Stromschiene) kommen, wäre der EXTERNAL CONTROL Modus zu verwenden, damit der Generator nicht ununterbrochen läuft.

FUNKTIONSWEISE IM EXTERNAL CONTROL MODUS

Der Generator im EXTERNAL CONTROL Modus wird durch Schließen der CONTROL TERMINAL Kontakte gestartet und durch Öffnen gestoppt. Dieser Modus lässt den Generator durch externe Steuerung von Geräten mit potentialfreien Kontakten an unterschiedliche Batteriespeicher optimal anpassen, was den Anwendungsbereich des Generators erheblich erweitert. Mit der Brücke zwischen Kontakten CONTROL TERMINAL startet der Generator sofort sobald der Drehschalter in die Stellung ON verstellt wird und stoppt in der Stellung OFF. So eine Verwendung wird empfohlen um den Generator unabhängig von der Spannung der Batterie manuell starten und stoppen zu können.

Mit potentialfreien Kontakten sind zahlreiche Geräte ausgestattet (Wechselrichter, USVs, Batterien mit BMS-Kontroller, Batteriewächter, Zeitrelais usw.) und dies lässt alle möglichen Algorithmen der Verwendung des Generators realisieren.

ÜBERSPANNUNG- und ÜBERLASTUNGSSCHUTZ

Soll die Spannung an der 48V-Sammelschiene oder der zu versorgender Batterie aus irgendwelchen Gründen auf 57V und höher kommen, schaltet der Generator sofort ab.

Die Ausgangsspannung des Generators wird beim Überschreiten der maximalen Stromstärke gesenkt und kann niedriger als 48V kommen, soll diese jedoch zu niedrig kommen, wird es als Kurzschluss erkannt und der Generator wird sofort ausgeschaltet.

Es ist normal dass die rote LED während des Ladevorgangs mit der maximalen Stromstärke aufleuchtet. Das heißt nur dass die maximale Leistung des Generators erreicht wurde.

BENZIN- und ÖLMANGELSCHUTZ

Soll der Kraftstoff aufgebraucht sein geht der Motor aus.

Soll der Ölstand zu niedrig kommen (gelbe LED aufleuchtet) geht der Motor sofort aus.

Sollen die Start-Bedingungen erfüllt sein (die Batteriespannung im AUTO-Modus unter 47,5-48V kommt oder im EXTERNAL CONTROL Modus EXTERNAL CONTROL Kontakte kurzgeschlossen), versucht der Motor 5 x mal zu starten und wenn`s nicht klappt, kommt eine Fehlermeldung (rote LED blinkt).

EINFACHE WARTUNG

Der Generator hat keine eigene Batterie und wird von der zu versorgender Batterie gestartet. Die zu versorgende Batterie hat in der Regel eine Kapazität von mehreren kWh und auch bei wenig Ladung verfügt immer noch über mehr als ausreichend Energie fürs Starten des Generators auch bei mehreren Startversuchen. So entfällt die regelmäßige Wartung der Batterie des Generators wie es z.B. bei Wechselstromgeneratoren üblich ist und erhöht die Zuverlässigkeit der Notstromversorgung beim seltenen Einsatz des Generators. 

Es ist beim Generator aber darauf zu achten, dass die Haltbarkeit des Kraftstoffs nicht überschritten wird. So empfehlen wir nur langhaltige Benzine mit Oktanzahl 90-95 als Kraftstoff zu verwenden, auf mögliche Ablagerungen im Vergaser zu achten und diese je nach Haltbarkeit des Benzins rechtzeitig abzulassen.

Es ist ebenso auf die Haltbarkeit des Motoröls zu achten. Dieses muss entweder entsprechend Herstellervorgaben alle 12-18 Monate oder alle 50 Betriebsstunden gewechselt werden.

Der Luftfilter ist je nach Verschmutzung auszutauschen.

UNBEDINGT ZU BEACHTEN:

Der Gleichstromgenerator KS 48V-DC darf nur mit 48V-Batterien betrieben werden, die in der Tabelle oben aufgeführt sind. Es ist unbedingt auf Parameter des gesamten Stromversorgungssystems zu achten. Bei Systemen wo die 48V-Sammelschiene ausschließlich durch den Wechselrichter versorgt wird ist darauf zu achten, dass das Anschließen von anderen DC-Stromquellen an die 48V-Stromschiene zulässig ist und keine Störungen in der Steuerung (vor allem mit Energiemanagement auf Basis von Energieflüssen) der Anlage verursacht.

HAFTUNGSAUSSCHLUSS:

Diese Anleitung kann nur als eine Empfehlung wahrgenommen werden, ist anschaulich und  muss bei der Installation an die genaue Umstände und Bedingungen vor Ort angepasst werden. Die Installation selber soll unter Beachtung von allen Normen und Vorschriften ausgeführt werden. Wir übernehmen keine Verantwortung für die falschen Installationen und deren Folgen.