Projekt 01243/01

Bau eines Pumpen-Inverters der neuesten Generation

Projektdurchführung

Apparatebau für Technische Physik und Elektronik ATPE GmbH Dr. K. H. Klemt
Am Anger 9
84174 Eching

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Förderung von Wasser aus Tiefbrunnen ist in vielen Gegenden ohne Netzanschluß von zentraler Bedeutung. Erstrebenswert ist hierbei ein umweltfreundliches und möglichst wartungsfreies System mit einer hohen Verfügbarkeit und Lebensdauer. Die meist eingesetzten Dieselaggregate erfüllen diese Kriterien nicht. Sie benötigen zum Betrieb laufend Treibstoff, der meist schwer zu beschaffen ist, genauso wie Ersatzteile. Ferner besteht die Gefahr, daß Treibstoff oder Altöl die Umgebung und die Brunnen ver-schmutzen. Eine umweltfreundliche Alternative stellen die photovoltaischen Pumpensysteme (PVPS) dar. Bei PVPS handelt es sich um Tauchpumpenanlagen ohne Batteriepufferung, bei denen die Sonnenenergie als Energiequelle dient und ein spezieller Wechselrichter die Anpassung zwischen Solargenerator und Antriebsaggregat vornimmt. Die Anlagen werden im Inselbetrieb (ohne Netzanbindung) eingesetzt und bestehen aus den Komponenten Solargenerator, Wechselrichter, Pumpe, Motor und hydraulisches System. Der Antriebsstrang besteht aus einer Kreisel- oder Exzenterschneckenpumpe. Bei Untersuchungen an der Universität der Bundeswehr München zur Wasserversorgung in abgelegenen Gebieten im Inselbetrieb zeigte sich, daß durch den Einsatz von Exzenterschneckenpumpen in PVPS im Vergleich mit Kreiselpumpen der Einsatzbereich erweitert und die Tagesfördermengen im Teillastbereich und bei größeren Brunnentiefen (ab ca. 50m) erhöht werden können. Hindernis dabei sind die bisher zur Verfügung stehenden Wechselrichter, welche für den Anlauf von Exzenterschneckenpumpen meist nicht ausgelegt sind. Ausgehend von den Erfahrungen mit PVPS wurde ein Wechselrichter entwickelt, mit dem sowohl Kreisel- als auch Exzenterschneckenpumpen in PVPS ohne Batteriepufferung zuverlässig betrieben werden können. Ein solches System stellt eine betriebstechnisch und ökologisch optimale Wasserversorgung dar.

Der wesentliche Grund für die Entwicklung des Wechselrichters besteht in der Erweiterung des Einsatzbereiches von PVPS durch die Verwendung von Exzenterschneckenpumpen.

Welche Verbesserungen entstehen durch den Einsatz von Exzenterschneckenpumpen?
Exzenterschneckenpumpen besitzen eine wesentlich steilere Pumpenkennlinie als Kreiselpumpen. Der Förderdruck steigt bei ihnen schon im niedrigen Drehzahlbereich stark an und sorgt dafür, daß im Teillastbereich bei geringer Einstrahlung Wasser gefördert werden kann.


Ergebnisse und Diskussion

Allgemeine Daten des Wechselrichters:
Funktion: Betrieb von Exzenterschnecken- und Kreiselpumpen in Photovoltaischen Pumpensystemen ohne Batteriepufferung. Bei diesen Pumpenanlagen handelt es sich um Tauchpumpenanlagen, die Wasser aus einem Tiefbrunnen in einen Vorratsbehälter pumpen. Diese Anlagen werden im Inselbetrieb eingesetzt und bestehen aus den Komponenten Solargenerator, Wechselrichter, Motor, Pumpe und dem hydraulischen System. Am selben Solargenerator können andere Verbraucher angeschlossen werden. Die MPP-Regelung der Steuerelektronik regelt in diesem Fall die Motordrehzahl, so daß die verbleibende Solargeneratorleistung für die Wasserförderung verwendet wird.

Benutzerfreundliche Bedienung: Nach Anschluß des Solargenerators und des Motors wird ein Betrieb des Pumpensystems durch Einschalten des Hauptschalters automatisch gestartet. Die Sanftanlaufsteuerung gewährleistet ein zuverlässiges Hochlaufen des Motors mit minimaler Energie. Dadurch ist auch der Einsatz von Exzenterschneckenpumpen möglich.

MPP-Tracking (MPPT): Die MPP-Regelung (Maximum-Power-Point - Regelung) ermöglicht einen direkten Betrieb des Pumpenantriebs ohne Batteriepufferung. Dabei stellt die Regelung die momentan maximal mögliche Drehzahl am Antrieb und somit maximale Förderleistung ein. Die Mindestspannung für den Betrieb des Wechselrichters beträgt 130V. Damit ist ein MPPT im Teillastbereich bei sinkender Leerlaufspannung gewährleistet. Die Regelung funktioniert temperaturunabhängig unter Verwendung der aktuellen Meßdaten Solargeneratorspannung und -strom. Dies garantiert eine hohe Regelgenauigkeit.

Technische Daten:
Leistungsaufnahme: maximal 2,5kW
Der Einsatz des Wechselrichters ist in einem Bereich von 500W bis 2,5kW aufgrund des hohen Wirkungsgrades im Teillastbetrieb sinnvoll.
Ausgangsspannung:
- 3-phasig 220V (in der jetzigen Version)
- niedrigere Ausgangsspannungen sind möglich
Ausgangsfrequenz: 5 bis 80Hz; Einstellung durch die MPPT
Schutzklasse: IP65
maximale Solargeneratorspannung: 410V DC
maximale Umgebungstemperatur im Betrieb: -40 °C bis +70°C
Anzeigeelemente: 3 LEDs; Betrieb, Übertemperatur, Fehler
Maße: 395mm - 265mm - 210mm
Schutzmaßnahmen:
- Temperaturüberwachung der Leistungstransistoren und des Gehäuseinneren
- Automatisches Ausschalten bei Überschreiten der maximalen Temperatur
- Blitzschutz, Kurzschlußsicher am Ausgang
Interface:
- serielle Schnittstelle RS232 zur Betriebsdatenerfassung
- Konfiguration des Wechselrichters (Programmierung des internen Eproms) und externe Steuerung
Technische Besonderheiten:
- vollständig galvanisch isolierte Leistungsstufe am Ausgang
- Leistungsfiler am Ausgang verbessert das System:
- keine Überspannungen und Spannungsspitzen am Motor
- Verhinderung von Beschädigungen der Motorwicklung
- Erhöhung der Lebensdauer
- Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Veröffentlichungen:
1) Symposium Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein, 1997
2) 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Wien, 1998
3) Kapitel 1 bis 7 des Schlußberichts BEPING (Bau eines Pumpen Inverters der Neuesten Generation)
bei der TIB (Technische Informationsbibliothek), Deutsche Forschungsberichte, Welfengarten 1B,
30167 Hannover