|
De enkelvoudige alternatoren worden hier besproken (het is ook een nuttige inleiding, je zal er alle basisbegrippen in aantreffen).
Constructie en werking van een tweetraps alternator
(brushless type)
Vanaf een vermogen van ongeveer 10kW gebruikt men enkel nog dubbele alternatoren, met een bekrachtigingsalternator die de stroom levert aan de hoofdalternator. Dit heeft twee voordelen:
- Men kan een lagere exciterstroom gebruiken, de eerste alternator levert immers een veel hogere stroom aan de hoofdalternator.
- Een tweede voordeel is dat er geen sleepcontacten meer nodig zijn: de bekrachtiging wordt op de rotor zelf overgebracht.
Zie eerste afbeelding rechts: de exciter (bekrachtiging) heeft een vermogen van 125W nodig. Deze statische bekrachtigingsspoel produceert een vast magnetisch veld, waarin de eerste generator (opwekkingsalternator) draait. De rotor draait in dit veld en wekt een driefasige wisselspanning op.
De spanning wordt door een draaiende diodebrug gelijkgericht en wordt naar de hoofdalternator overgebracht via kabels op het as. De veldwikkeling van de hoofdalternator heeft een vermogen van 2.5kW nodig. Het vermogen wordt afgetapt op de stator (50kW). Modernere alternatoren hebben een hoger rendement: voor de bekrachtiging van de eerste alternator is slechts 25W nodig, en 1kW voor de vermogensalternator.
Er zijn geen commutatoren of sleepcontacten die kunnen verslijten, vandaar de naam brushless.
De veldwikkeling voor de bekrachtigingsalternator is hier een vaste wikkeling. Het voordeel is dat er geen sleepcontacten zijn, wat de betrouwbaarheid van de alternator te goede komt. Dergelijke alternatoren gaan normaal nooit defekt, ze worden gebruikt bij de electriciteitsproduktie op grote schaal (turbo-alternatoren in kerncentrales, waterkrachtcentrales en dergelijke). Iedere trap verhoogt de stroom: bij een tweetraps alternator heeft men voldoende aan een kleine stuurstroom om heel hoge stromen te leveren.
De tweede figuur komt uit de schematische tekening. De vermogensalternator heeft drie wikkelingen met middenaftakking, iedere wikkeling levert 120 + 120V. De middenaftakking wordt niet gebruikt in Europa, wij gebruiken een ster-aansluiting van de generator, met één kant van de wikkeling aan de neutre.
Drie foto's rechts:
Dit is de rotor van een 14kW alternator.
Rechts is het anker, waarvan de spanning gelijkgericht wordt (de diodebrug staat uiterst rechts en is goed zichtbaar op de tweede foto).
De gelijkgerichte spanning wordt naar de veldwikkeling gestuurd (de wikkeling links). Deze veldwikkeling produceert een draaiend magnetisch veld. De stator bevat de vermogenswikkelingen.
Aan de vorm van de veldwikkeling is het niet mogelijk te zien of je een mono- of driefasige alternator te maken hebt: het is hoe de stator gebouwd en aangesloten is, dat bepaalt of men te maken heeft met een mono- of triphasé generator (4 of 6 wikkelingen).
De diodebrug werd in gebruik genomen vanaf de jaren 60, toen de eerste betrouwbare vermogens gelijkrichters op de markt kwamen.
Voordien gebruikte men een enkelvoudige constructie met sleepringen die de roterende veldwikkelingen van gelijkstroom voorzagen (ééntraps alternator), of een opwekkingsdynamo (op dezelfde as gemonteerd). Beide oplossingen (met sleepringen of dynamo met collector) waren natuurlijk niet zo betrouwbaar als een borstelloze generator.
Buitenpool of binnenpool
De bekrachtigingsalternator is van het buitenpool type: de bekrachtigingswikkeling is de stator (aan de buitenkant) en de stroom wordt in de rotor opgewerkt (zoals bij een dynamo).
De hoofdalternator is van het binnenpool type: de gelijkgerichte stroom van de bekrachtigingsalternator gaat naar de rotor (binnenkant). De stroom naar de verbruikers wordt door de stator geleverd.
Twee praktische voorbeelden
Het electrisch schema van het alternator gedeelte van een stroomgroep. Volgende delen zijn te zien:
- Roos gebied: de alternator met in het rood de rotor, die uit een bekrachtigingsalternator bestaat (buitenpool machine of omgekeerde alternator), een gelijkrichter en een draaiende hoofdveldwikkeling.
De alternator heeft verder een vaste veldwikkeling en vaste hoofdwikkelingen die de stroom aan de gebruikers leveren.
Er zijn nog twee extra wikkelingen die door een magneet bekrachtigd worden (magneto). Deze wikkelingen leveren het vermogen aan de electronika, zodat die de veldwikkeling van stroom kan voorzien.
- Paars gebied: de electronica kan door drie wikkelingen gevoed worden (sterschakeling aangesloten op UH1, VH1 en WH1) of door een bifasige spanning (spoelen aangesloten op UH1 - UH2 en WH1 - WH2), zie verder onder PGM.
De regulator heeft naast de voeding ook een referentiespanning nodig. In dit geval heeft de regelaar twee ingangen, namelijk U250 - W250 als de alternatorspanning lager is dan 250V en U500 - W500 als de alternatorspanning tussen 250 en 500V ligt. De fijnregeling van de spanning gebeurt met een potentiometer.
De enige uitgang van deze regelaar is de stroom voor de veldwikkeling.
- Geel gebied: de alternator heeft de bekende klemmenbox met 6 aansluitingen, zodat de alternator zowel in ster als in driehoek geschakeld kan worden. De alternator geeft altijd 220V op de wikkelingen. Bij driehoekschakeling vormen de aansluitpunten U2, V2 en W2 de neutre (die hier ook aan de massa gelegd wordt zoals bij alle generatoren en secundaire van transformatoren voor netspanning).
- Rood/groen: de schakelaar die voor de omzetting ster/driehoek zorgt is S1.
De ster/driehoeksnakeling schakelt ook de meetingang van de regulator omdat er tussen U en W 220V zit in driehoekbedrijf en 380V in sterbedrijf. Tegenwoordig worden echter alle generatoren vast in ster geschakeld en bekomt men 220V tussen neutre en fase, en 380V tussen fasen onderling.
- Blauw: verder is de generator nog uitgerust met een paar filterbanken.
In sommige gevallen hebben de twee spoelen een specifieke funktie: de ene spoel is een "shunt" spoel waarvan de spanning een maat is van de uitgangsspanning en de tweede spoel is een "serie" spoel waarvan de spanning een maat is van de stroom die de generator levert (AREP). Deze hulpwikkelingen zitten tussen de statorwikkelingen van de hoofdalternator. De rotor heeft daarbij kleine permanente magneten om het opstarten te vergemakkelijken. Dit is geen standaard- constructie, maar die is kenmerkend voor bepaalde alternatoren van Leroy Somer.
De hulpspanning voor de module wordt geleverd door een aparte generator (magneto).
De aanduiding PMG staat voor Permanent Magnet Generator, het is eigenlijk een meer geleerd woord voor de ouderwetse magneto. Deze kleine generator werkt volkomen onafhankelijk van de hoofdgenerator en levert spanning aan de electronika. Omdat deze hulpgenerator uitgerust is met magneten is er geen veldwikkeling nodig: de electronika blijft werken, zelfs al is de hoofdspanning uitgevallen door bijvoorbeeld een kortsluiting. De beveiligingen blijven dus werken en er is geen automatische (en ongewenste) reset.
Niet alle alternatoren zijn uitgerust met een PMG of AREP systeem: sommigen betrekken de voeding voor de electronika uit het 24V boordnet.
Kleine generatoren zijn meestal "self-exited" en berusten op het remanent magnetisme om een kleine spanning op te wekken in de hoofdwikkeling, de spanning wordt naar de module gestuurd, gelijkgericht en naar de bekrachtigingsspoel gestuurd om het veld verder te versterken.
Deze generator is permanent in ster geschakeld. Een driefasige transfo verlaagt de spanning tot een waarde beneden de 400V zodat die probleemloos door de regelaar kan gemeten worden.
Verder heeft deze generator ook een stroomtransfo. Het meten van de stroom is noodzakelijk als de generator gekoppeld wordt aan andere generatoren (load sharing). Bij een verhoging van de belasting laten alle generatoren hun spanning lichtjes zakken (droop). Dit is om te vermijden dat onder bepaalde omstandigheden er stroom van de ene naar de andere generator zou lopen.
| 
