De dynamo
werking: serie, shunt, compound, parallelbedrijf
Electriciteit

De algemene werking van een dynamo wordt hier besproken.

Werking van een dynamo

In de eerste jaren van de electrificatie gebruikte men vooral gelijkspanning die gemakkelijker ingezet kon worden: men moest geen rekening houden met de frekwentie en om meer vermogen in het net te pompen verhoogde men gewoon het toerental van de stoommachine. Op vele werkplaatsen werd de electriciteit lokaal aangemaakt en gebruikt voor de verlichting en bepaalde processen zoals galvanoplastie. Door de relatief lage spanning en de onmogelijkheid om de spanning te verhogen was het niet mogelijk electriciteit over een lange afspand te vervoeren.

De dynamo
Figuur 1: een dynamo bestaat uit wikkelingen die in een magnetisch veld draaien. Het magnetisch veld kan zowel opgewekt worden door een magneet (fietsmagneto) als door een electromagneet in de grotere installaties.

figuur 2: om de verliezen door kortsluiting tussen twee collectorlamellen te beperkten gebruikt men meerdere wikkelingen. Iedere wikkeling is eigenlijk in serie geschakeld en er is maar een klein potentiaalverschil tussen twee opeenvolgende lamellen.

Figuur 3: om de verliezen in de koolborstels te beperken gebruikt men meerdere polen. De stroom door iedere borstel is lager, omdat ze parallel geschakeld worden. Omdat de veldomwisselingen sneller gebeuren kan men meer vermogen halen uit een dynamo van een bepaalde afmeting. Het is alsof er meerdere dynamos in parallel werken in dezelfde behuizing.

Werking van een dynamo

Er kan enkel een spanning ontstaan als het magnetisch veld veranderd. Bij een dynamo produceert een vaste stator een magnetisch veld, en de wikkelingen van de draaiende rotor krijgen alternerend een positief of negatief magnetisch veld.

De rotor produceert dus een wisselspanning (min of meer sinusvormig). Omdat de stator vaststaat, is ook de positie van de geïnduceerde spanning vast. De spanning wordt afgetapt door de vaste koolborstels.

Omdat de volledige stroom die de dynamo levert door de koolborstels moet lopen is de collector breed uitgevoerd en worden er meerdere borstels naast elkaar gebruikt. Alle negatieve polen en alle positieve polen worden parallel naar buiten gevoerd.

Figuur 4 (hieronder): De stroom die nodig voor de bekrachtiging van de electromagneet wordt ofwel in serie afgetapt, ofwel in parallel (engelse benaming: shunt), ofwel gemengd (compound).

Bekrachtiging (veldwikkeling):
serie, parallel, compound of onafhankelijk

Het remanent magnetisme in de veldwikkeling is voldoende om een kleine spanning te leveren in de rotor. Deze werkspanning wordt dan naar de stator gevoerd en verhoogt het magnetisch veld, zodat er een hogere spanning afgeleverd wordt. De spanning stijgt totdat er een evenwicht bereikt wordt.


Serie bekrachtinging

Een dynamo met seriebekrachtiging heeft een veldwikkeling bestaande uit enkele wikkelingen van dikke draad. Al de stroom die de dynamo levert loopt immers door de veldwikkeling.

Deze dynamo produceert een hogere spanning bij het verhogen van de belasting (totdat de veldwikkeling in saturatie gaat). De bekrachtigingsstroom wordt immer groter bij een hogere belasting.

De seriedynamo wordt op zich weinig gebruikt omdat zijn werking niet stabiel is.

Parallel bekrachtiging (shunt)

Een dynamo met shuntbekrachtiging produceert een lagere spanning bij het verhogen van de belasting (een groter deel van de beschikbare stroom gaat naar de belasting). Deze dynamo moet onbelast opstarten zodat het veld opgebouwd kan worden.

De veldwikkeling bestaat uit vele wikkelingen dunne draad zodat men een hoog magnetisch veld kan bekomen met een lage stroom. De veldwikkeling is zeer induktief en men moet voorzorgsmaatregelen nemen als men de veldwikkeling omschakelt (veranderen van de uitgangsspanning).

Compound bekrachtiging

Dynamo's die voor de stroomproduktie op het electriciteitsnet gebruikt werden waren daarom compound. Bij een compound dynamo blijft de spanning nagenoeg constant ongeacht de belasting (± 5% bij grote machines).

De compoundering kan soms instelbaar zijn door middel van een veldregelaar zodat men de spanning kan instellen en onafhankelijk maken van de belasting.

Een dynamo met parallelbekrachtiging moet onbelast kunnen opstarten zodat het magnetisch veld opgebouwd kan worden. Hangt er een belasting aan de dynamo, dan is het remanent magnetisme soms onvoldoende om voldoende spanning te leveren.

Soms moet het remanent magnetisme opnieuw opgebouwd worden, bijvoorbeeld als de dynamo lange tijd niet gebruikt is geweest. Dit kan men doen door kortstondig een stroom door de veldwikkeling te laten lopen (spanning van een autobatterij).

De werking van de compounddynamo kan ook nagebootst worden door twee enkelvoudige dynamo's (shunt en serie), waarbij de seriedynamo de verminderde spanning van de shuntdynamo compenseert door een hogere spanning te leveren (opjager/neerjager, zie afbeelding hieronder), maar men gebruikte liever compounddynamo's waarbij de totale constructie compacter kan zijn en minder verliezen veroorzaakt.

Bij electrische schema's van dynamos en gelijkstroommotoren gebruikte men afkortingen die redelijk gestandardiseerd waren:

  • A1 - A2 : borstels voor afname van de spanning
  • B1 - B2 : hulppoolwikkeling (verbetering van de commutatie)
  • C1 - C2 : compensatiewikkeling (compensatie ankerreaktie)
  • D1 - D2 : seriebekrachtiging
  • E1 - E2 : parallelbekrachtiging
  • F1 - F2 : onafhankelijke bekrachtiging
  • H1 - H2 : hulpwikkeling bij amplidyne

De hyper-compound dynamo heeft een spanning die lichtjes stijgt als de belasting stijgt (over compoundering). Een dergelijke dynamo werd in electriciteitscentrales gebruikt omdat deze de spanningsval in de geleiders ten gevolge van de stroomafname op een natuurlijke wijze kon tegenwerken.

Voor heel specifieke toepassingen heeft men zelfs anti-compound dynamo's gebouwd, met de seriewikkeling omgekeerd aangesloten. Bij een anti-compound dynamo blijft de stroom constant, ongeacht de belasting. Dergelijke dynamo's werden gebruikt bij soldeerposten, die een zo constante stroom moeten leveren (en waarbij de stroom beperkt wordt bij kortsluiting). Dankzij de hoge onbelaste spanning van ongeveer 80V is het gemakkelijk om een electrisch boog te vormen.

Anticompound wordt ook gebruikt als een mogelijke kortsluiting of overbelasting geen nadelige gevolge mag hebben, bijvoorbeeld een dieselgenerator die een anti-compound dynamo aandrijft om stroom te leveren aan een baggermachine (waarbij de dieselmotor niet overbelast mag geraken als de baggermachine vastloopt).

De beschikbare spanning naargelang de belasting (stroomafname) met

  • een hypercompound dynamo,
  • een normale compound,
  • een undercompound (voor het parallelen),
  • een shunt (geen compound) en
  • een anti-compound dynamo.
Het spanningsverloop tussen onbelast en nominale belasting bedraagt maximaal 5% bij een goede compounddynamo.

Parallel schakelen van dynamo's

Om een hoger vermogen te bekomen kunnen er meerdere shunt dynamos in parallel gebruikt worden zonder speciale maatregelen.

Als men twee dynamos met serie bekrachtinging samen wilt gebruiken, dan moet de stroom die de eerste dynamo levert de bekrachtiging vormen van de tweede dynamo, en omgekeerd. De dynamo die het meeste stroom levert zal daardoor de stroom van de andere dynamo opvoeren, waardoor er een automatische egalisatie van de stromen optreedt.

Bij compound dynamo's moet ook de stroom die door één dynamo geleverd wordt naar de seriewikkeling van de andere dynamo gestuurd worden.

Externe bekrachtiging van een dynamo
(onafhankelijk bekrachtigde veldwikkeling)

Indien de bedoeling van de dynamo is een variabele spanning te leveren, dan gebruikt men een externe bekrachtiging. Door de bekrachtiging te veranderen levert de dynamo een hogere of lagere spanning (en dus vermogen).

De dynamo wordt hier eerder als versterker gebruikt, waarbij een zwakke bekrachtiging voldoende is om een hoge stroom te leveren. De Ward Leonard schakeling is in feite een roterende versterker. Bepaalde dynamos zijn zodanig geconstrueerd dat ze een hoge versterking leveren, dit zijn dwarsveldgeneratoren, zie eerste en tweede afbeelding links (gewone dynamo en dwarsveldgenerator, ook wel amplidyne genaamd).

Bij een externe bekrachtiging is er vaak ook een extra serie wikkeling (compound) zodat de spanningsdaling ten gevolge van een hogere stroomafname tegengewerkt wordt (compensatie van de interne weerstand van de dynamo).

Als de gelijkstroommotor in een Ward Leonard schakeling meer belast wordt, dan zal zijn toerental dalen, en dus ook de tegen-EMK die in de rotor opgewekt wordt. De stroom door de motor neemt toe, en dus ook de stroom door de seriewikkeling. Het magnetisch veld van de dynamo wordt sterker, waardoor de uitgangsspanning stijgt, zodat het toerental gestabiliseerd wordt.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's