Werking generator
praktische voorbeelden instelling exciterstroom
Bekrachtiging
Root server » TechTalk » Electriciteit » Generatoren » bekrachtiging
Hier geven we praktische voorbeelden hoe de exciterstroom (bekrachtiging van de alternator) ingesteld wordt.
Inleiding bekrachtiging
Algemene werking van een alternator.

Praktische voorbeelden

Om de juiste exciterstroom te leveren is er een referentiespanning nodig, maar zeker ook een energiebron. Bij een moderne brushless alternator moet de bekrachtiging ongeveer .04% van het totaal vermogen leveren. Dit lijkt niet veel, maar voor een alternator van 250kW is dit toch 100W dat constant aangevoerd moet worden aan de veldwikkeling.

Tegenwoordig gebeurt de bekrachtiging door n van de volgende systemen, maar als je te maken hebt met een wat oudere generator, dan kan je andere types bekrachtiging aantreffen, zoals de gemengde regeling die besproken wordt in de inleiding.


Self excited generator (SHUNT)
Bij het meest eenvoudige systeem wordt de energie afgetapt aan de hoofdwikkeling van de alternator. Zo bekomt men ook de nodige referentiespanning. Self excited = eigen bekrachtiging.

Het voordeel van dit systeem is zijn eenvoud, maar het brengt ook nadelen met zich mee:

  • Er moet een opstartsysteem voorzien worden (field flash)

  • De werking van de exciter berust op de aanwezigheid van de hoofdspanning. Indien deze spanning niet stabiel is, dan kan de bekrachtiging niet correct gebeuren. De alternator kan uit synchronisatie komen als de belasting zeer zwaar is (starten van een belaste motor).

  • Omdat de hoofdspanning kan wegzakken bij overbelasting kunnen de standaardbeveiligingen (stroom) niet aanspreken en moet er een onderspanningsbeveiliging voorzien worden.
Als er geen type aangegeven wordt, dan is de generator van het "self exited" type. Een dergelijke stroomgroep wordt gebruikt voor algemene toepassingen ("huishoudelijk").

Dit systeem van bekrachtiging wordt toegepast als de maximaal te leveren stroom nooit 150% van de nominame stroom bereikt. Eenmaal de regelaar overstuurd, dan gedraagt de generator zich als een "shunt" (zie dynamo).

Het kan enkel op bouwwerven gebruikt worden als er een voldoende reserve voorzien wordt (starten van electrisch gereedschap). Als een motor van 1000W (asynchroon of universeel) gestart moet worden, dan moet men een generator van 10kW voorzien als men absoluut zeker wilt zijn dat de generator niet door de knin zakt (als bijvoorbeeld ook een paar andere zeer inductieve belastingen gekoppeld zijn, zoals een gasontladingslamp met ballast, een zware transfo, enz).

Deze generator wordt nooit gebruikt in veeleisende toepassingen zoals electriciteitscentrales.

Bij gekoppeld bedrijf (meerdere alternatoren die samen gebruikt worden om meer vermogen te kunnen leveren) moet de type bekrachtiging identiek zijn (zodat men eenzelfde stroom/spanningscurve kan hebben). Dit type wordt ook minder gebruikt voor gekoppeld bedrijf.


Excitation Boost Generator
Bij dit systeem wordt het nadeel van vorig systeem opgevangen door een extra generator die enkel gebruikt wordt als de belasting maximaal is en de nominale spanning niet meer gehandhaafd kan worden. De hulpgenerator is enkel voorzien om een kortstondige boost (maximaal 10 seconden) te leveren.

De hulpgenerator wordt bestuurd door de hoofdregelaar en stuurt een extra stroom in de veldwikkeling als de belasting hoger is dan de nominale belasting. Zo kan een zware last (motor onder maximale belasting) toch opgestart worden (of kan de stroombeveiliging correct in werking treden, wat niet het geval is bij de eerste type).

Dit systeem heeft niet meer de nadelen van vorig systeem, maar er is een extra generator nodig. Deze generator moet slechts kortstondig werken en moet dus niet overgedimensioneerd worden.


Separately excited generator (PMG)
Hier wordt er een aparte bekrachtigingsgenerator. Men gebruikt hier vaak een generator met draaiende magneten (magneto) waarbij de stroom gelijkgericht wordt. PMG: Permanent magnet Generator. De stroom van de hoofdwikkeling wordt enkel gebruikt als referentie (meetwaarde).

Dit systeem heeft een heel stabiele werking ongeacht de belasting en wordt vaak in electriciteitscentrales gebruikt. Er is een aparte generator nodig, maar dit speelt geen rol bij dergelijke grote installaties waar de betrouwbaarheid primeert.

De voeding van de bekrachtiging kan ook geleverd worden door een apart net: dit is bijvoorbeeld het geval op bepaalde schepen die een extra boordnet van 28V gelijkspanning hebben, maar ook electriciteitscentrales hebben noodgeneratoren om de boel op te starten na een algemene stroomonderbreking.


Auxiliary winding(s) (AUX)
Bij dit systeem wordt er een extra wikkeling geplaatst op de stator, tussen de hoofdwikkeling. De wikkeling is zodanig gelegd dat het effekt van de hoofdwikkeling minimaal is. In tegendeel, men gebruikt de veldreaktie om de spanning op te krikken.

De hoofdwikkeling vormt een hoek van bijna 90, maar de hulpwikkeling vormt een hoek van 30. Als de generator een zeer hoge stroom moet leveren, dan wordt het magnetisch veld vervormd door de veldreaktie. Door deze niet-lineaire vervorming kan de hulpwikkeling extra stroom leveren bij maximale belasting.

Bij dit systeem is er een extra wikkeling in de statorwikkeling, maar de extra generator is niet meer nodig. Leroy Somer is n van de fabrikanten die een gelijkaardig systeem gebruikt (AREP). De veldwikkeling is ook uitgerust met kleine permanente magneten om het opstarten mogelijk te maken.

Schematische voorstelling van een alternator van het type AREP (Auxiliary Winding Regulation Excitation Principle).
Rood gedeelte = rotor, groen gedeelte = stator. Alle elementen vormen n geheel, de bekrachtigingsalternator zit in dezelfde behuizing als de hoofdalternator.

  • 1 stroomwikkeling van de bekrachtigingsalternator
  • 2 draaiende gelijkrichter (6 diodes)
  • 3 veldwikkeling van de hoofdalternator
  • 4 stroomwikkeling van de hoofdalternator
  • 5A 5B hulpwikkelinge spanning en stroom
  • 6 spanningsregelaat
  • 7 veldwikkeling van de bekrachtigingsalternator
  • X bekrachtigingsalternator
  • Y hoofdalternator
In deze alternator wordt de stroom niet gemeten door een stroomtransfo, maar door een extra wikkeling in de stator van de hoofdalternator. Deze wikkeling is zodanig gelegd dat die maximaal benvloedt wordt door de reaktie.

Dit type generator wordt vaak toegepast op plaatsen waar de belasting moeilijk kan zijn (militaire stroomgroepen, bouwwerven, enz).


Dit zijn de stroom/spanningscurves van de 4 types alternatoren. Voor een groot gedeelte zijn het theoretische curves, een stroomgroep wordt namelijk niet constant op 300% belast en normaal schakelt een stroomgroep de belasting uit als de spanning onder de 80% zou komen.

De meeste veiligheden zijn berekend om pas af te schakelen bij een 3× hogere stroom na 10 seconden. Professionele stroomgroepen kunnen dit extra vermogen leveren om zo het correct afschakelen van de belasting mogelijk te maken.

Toch hebben deze curves hun nut, omdat in sommige gevallen de belasting tot 300% kan gaan (als de enige belasting van een stroomgroepeen zware motor is: die kan een vermogen trekken van 3.5 zijn nominaal vermogen bij het starten). Bij het starten van een datacenter is de stroomopname zelfs 1000% het nominaal vermogen (hier moet absoluut gefaseerd opgestart worden).

Ook de diesel moet een vermogen kunnen leveren van 300% gedurende enkele seconden, en niet alle generatoren zijn daartoe in staat. In een stroomaggregaat is de diesel berekend op de alternator, en moet bij een shunt excitatie maar 150% van het nominaal vermogen kunnen leveren.

In electriciteitscentrales zal men proberen de generatoren kost wat kost aan het net gekoppeld te houden, maar zal men de gebruikers afschakelen. Als een generator losgekoppeld wordt, dat is er plots minder vermogen beschikbaar, wat de situatie enkel kan verslechteren. Het terug synchroniseren van de generator gebeurt ook trager in een electriciteitscentrale.

De "shunt" alternator heeft bij normale belasting de typische curve van een compound dynamo (maar met een betere regeling). Overbelast hebben we een echt shunt gedrag. Generatoren die voor parallelbedrijf ingesteld zijn hebben een lineair aflopende spanningscurve.

De andere type regelaars hebben een grotere vermogensreserve (de diesel moet ook het extra vermogen kunnen leveren). Zelfs als de stroomagregaat meer vermogen kan leveren dan het nominaal vermogen is het niet de bedoeling dat die constant over zijn nominaal vermogen gebruikt wordt: de diesel kan vroegtijdig sneuvelen (ontoereikende smering, enz).

De EBG generateur kan een extra stroom leveren, maar slechts gedurende een paar seconden (genoeg om de belasting op te starten of om de beveiligingen te laten werken). Nadien gaat de generator werken zoals een shunt-generator (met misschien wat extra vermogen geleverd door de boost).


Alternator met permanente magneten
Na alle bekrachtigingssystemen besproken te hebben moeten we ook nog een systeem aanhalen zonder bekrachtiging, namelijk de alternatoren die geen veldwikkeling hebben, maar waarbij het magnetisch veld geleverd wordt door permanente magneten. Dergelijke alternatoren hebben een compacte bouw en hebben een relatief grote diameter zodat er veel spoelen (polen) geplaatst kunnen worden. Deze alternatoren kunnen daardoor op een lagere snelheid draaien.

De spoelen worden driefasig aangesloten om een constante belasting te vormen (dit is enkel mogelijk met een driefasige uitgang). Het aantal spoelen moet daarom een veelvoud van 3 zijn (met een minimum van 6 spoelen). De spoelen worden op de polen gewikkeld die de stator vormt. De stator bestaat uit dunne metalen platen om een hoog magnetisch veld te hebben met weinig verliezen.

De permanente magneten worden op een armatuur gemonteerd bestaande uit gemakkelijk magnetiseerbare weekijzer. De magneten moeten afwisselend een noord- en een zuidpool naar buiten hebben. Om een soepele werking te bekomen moeten er evenveel magneten zijn als er spoelen zijn.

De spanning en de frekwentie is afhankelijk van de rotatiesnelheid. De spanning wordt gelijkgericht door een driefasige gelijkrichter en gebruikt om batterijen op te laden (zeer kleine installaties). In het algemeen wordt de gelijkgerichte spanning naar een omvormer gestuurd die wisselspanning maakt. Het vermogen wordt lokaal gebruikt (bufferbatterij noodzakelijk) of op het net gestoken.

Dergelijke alternatoren worden gebruikt bij kleine en middelgrote windmolens en kleine waterkrachtcentrales. Vanwege hun eenvoud worden ze ook gebruikt in kleine stroomgroepen (inverter-type), waarbij de variabele spanning en frekwentie omgezet wordt door de electronica.

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