Werking generator
Inleiding: exciterstroom instellen
Veldwikkeling
Root server » TechTalk » Electriciteit » Generatoren » Exciterstroom instellen
De enige parameter van een alternator die ingesteld kan worden is de exciterstroom, of de stroom door de veldwikkeling (bekrachtiging).

Lees ook de algemene pagina over de werking van een alternator.

Universele generator


Verhouding exciterstroom Ie
en de spanning op de statorwikkelingen Uo
Onbelast (blauw)
en nominale belasting (rood)
Zelfs zonder exciterstroom ontstaat er een kleine spanning op de stator dankzij het remanent magnetisme.

Als de exciterstroom toeneemt, dan neemt ook de spanning toe, tot dat het ijzer magnetisch verzadigd is. Zelfs met een maximale exciterstroom kan de spanning niet boven 125% van de nominale spanning stijgen (dus 500V voor een alternator die 400V lijnspanning levert) bij nominale belasting.

De opgewekte spanning zakt als er stroom afgenomen wordt: de verliezen moeten gecompenseerd worden (zowel ohmse verliezen als magnetische verliezen). Daarvoor wordt de exciterstroom verhoogt van Io tot Im.



Instelling van de exciterstroom vòòr het gebruik van electronische modules

Alternatorspanningsregeling door compoundering

In principe is het instellen van de exciterstroom eenvoudig. De uitgangspanning van de generator wordt bepaald door de veranderingen van het magnetisch veld, die op zijn beurt afhankelijk is van de rotatiesnelheid van de generator en van de grootte van het magnetisch veld. Aangezien de rotatiesnelheid van de generator constant wordt gehouden is de uitgangspanning enkel afhankelijk van het magnetisch veld, en dus van de exciterstroom (of stroom door de veldwikkeling)

Als de generator belast wordt, moeten de verliezen gecompenseerd worden door een hogere exciterstroom. De verliezen zijn voornamelijk ohmse verliezen in de stroomwikkelingen en verliezen veroorzaakt door de stromen in de stator, die een magnetisch veld doen ontstaan tegengesteld aan het hoofdveld. De exciterstroom moet dus verhoogd worden als de belasting hoger wordt. Tussen vrijloop en maximale belasting is er een verhouding van ongeveer 1 op 3 ongeacht het soort generator (enkel of dubbeltraps).

De eerste alternatoren gebruikten een dynamo voor de opwekking van het hoofdveld. Met de komst van goede gelijkrichters (halverwege jaren '60) kon men de spanning van de alternator zelf gebruiken voor het opwekken van het magnetisch veld (deze spanning werd enkel verlaagd tot een geschikte waarde voor de bekrachtinging). Zoals bij dynamos gebruikte men een compoundering om de uitgangsspanning nagenoeg onafhankelijk te maken van de belasting. Het is pas in de jaren '70 dat men een electronische regeling kon gebruiken (met een transistor 2N3055).

Bij een dynamo worden de serie en shunt wikkelingen gewoon naast elkaar op de stator gelegd. Bij een alternator gebruikt men twee transfo's om zowel de spanning als de stroom door te geven aan één enkele veldwikkeling.

Transfo m1 is de scheidingstransfo tussen het net en de veldwikkeling (die vaak met een veel lagere voedingsspanning gevoed wordt).

K1 is een smoorspoel die ervoor moet zorgen dat de compoundering correct verloopt. Door de zelfinductie van de spoel te wijzigen verandert men zijn weerstand, en dus ook de verhouding spanning/stroom en kan men een onder, over of normaal gecompenseerde werking bekomen (zie voor meer uitleg de werking van een dynamo).

m2 zijn drie stroomtransfo's die de stroom in de hoofdleiding meten en omzetten in een spanning.

De bekomen spanning wordt gelijkgericht en naar de veldwikkeling geleid. Deze sturing kan de spanning stabiliseren op 5% ongeacht de belastingsvariaties.

Er is een extra aansluiting voorzien om het veld te kortsluiten (beveiliging bij overbelasting) of om een externe voedingsbron aan te sluiten (als het remanent magnetisme van de veldwikkeling te zwak is om de alternator op spanning te laten komen).

Als je de schakeling bekijkt, dan merkt je dat er een belangrijk element ontbreekt: een spanningsreferentie. Deze schakeling is dan oon een sturing (voorwaartse regeling) en geen echte regelaar (PID regelaar).

Dit is de module die achteraf bijgeplaatst is geweest.
Er is hier ook een compoundering (spanning/stroommeting).
De regelaar werkt omgekeerd en werkt het magnetisch veld van de electrische compoundering tegen.


Compoundering (groen) et shunt stabilisatie (rood)

Gemengde spanningsregeling

Om een meer stabiele spanning te bekomen werd er vroeger (jaren '70) een echte regelaar bijgeplaatst (transitorschakeling met spanningsreferentie en comparator). De sturing zorgde voor een ruwe stabilisatie en de electronica zorgde voor de fijne regeling.

De alternator had zodus twee aparte veldwikkelingen: een hoofdwikkeling voor de sturing en een extra wikkeling voor de fijnregeling.

Er was ook compoundering in de electronische module (invloed van de stroom op de spanning) om een betere verdeling van het blindvermogen te bekomen bij parallelbedrijf.

De regeling kan zowel de sturing versterken (beide velden versterken elkaar) als tegenwerken zoals in het voorbeeld rechts: je kan beide systemen tegenkomen. Nu dat transistoren een hoger vermogen kunnen leveren is deze spanningsregeling achterhaald, maar je kan die nog steeds aantreffen, zelfs in relatief recente stroomgroepen.

Waarom zo'n vreemde constructie met een sturing én een regeling? Om een dubbeltraps alternator van 250kW van exciterstroom te voorzien heeft men 100W vermogen nodig, en de eerste vermogenstransistoren waren nog niet in staat zo'n vermogen te leveren en voldoende vermogensreserve te hebben om belastingsvariaties op te vangen. De sturing zorgde voor een grove instelling van de exciterstroom en de regeling moest enkel een beetje bijregenen.

Bij een volgende uitvoering wordt de bekrachtigingsstroom die door de electrische compoundering geleverd werd (groen) gedeeltelijk kortgesloten (rood) door de electronische module om hier de exciterstroom te beperken. Dit is mogelijk omdat de compoundering een stroom levert. De gebruikte alternator heeft dan maar één enkele bekrachtigingswikkeling nodig (alternatoren van Leroy Somer).


Bij stroomgeneratoren die op militaire schepen gebruikt worden blijft men compoundering gebruiken omdat zelfs in geval van calamiteiten (uitvallen van de electronische regeling) de generator nog kan gebruikt worden met de electrische compoundering alléén (en een minder nauwkeurige regeling van de spanning).

Hier is de electronische regeling een negatieve regeling, en in "manueel" gebruik (als de electronische regeling dus niet werkt) wordt de compoundering overbrugd door een reostaat.


Effekt van de belasting (inductief of capacitief)

De generator gedraagt zich als een sterke zelfinductie die een invloed heeft op de spanning en de stroom:
  • Als de belasting een zuivere ohmse weerstand is, dan zakt de spanning wat in als de belasting stijgt, wat normaal is: de verliezen die hierboven vermeld worden moeten gecompenseerd worden.
  • Als de belasting overwegend inductief is (motor, transformator) dan wordt de zelfinductie van de belasting bijgeteld bij de zelfinductie van de bron, waardoor de spanning meer gaat dalen dan bij een ohmse belasting (voor eenzelfde stroom). Naast het effektief vermogen moet de generator ook blindvermogen leveren om een magnetisch veld op te wekken in het apparaat.
  • Als de belasting capacitief is, dan werkt de capaciteit van de belasting de zelfinductie van de generator tegen en gaat de spanning stijgen als de belasting aangesloten wordt. De zelfinductie en de capaciteit vormen een trillingskring die in resonantie kan komen.
De reden van de sterke spanningsval als er een inductieve belasting wordt geschakeld wordt hier uitgelegd. De redenering is omgekeerd voor een overwegend capacitieve belasting (zeldzaam).
Het blindvermogen dat een onbelast draaiende motor of transfo opneemt dient om zijn magnetisch veld op de bouwen en weer af te breken. Het is vermogen dat per periode heen en weer gestuurd wordt, maar geen nuttig arbeid verricht.

Als de stroom geleverd wordt door een alternator, is dat alsof de alternator een deel van zijn magnetisch veld moet afstaan aan de motor of transfo. Omdat we weten dat de opgewekte spanning afhankelijk is van het magnetisch veld, is er dus een sterke daling van de alternatorspanning, die gecompenseerd moet worden een verhoging van de bekrachtiging.

Bij een kleine generator volstaat het de spanning te meten. De stabilisatie is echter onvoldoende voor industriële toepassingen. Een volwaardige regulatie waarbij ook de stroom en de fase gemeten wordt is nodig om de spanning op 1% te stabiliseren.

De instelling van de exciterstroom bij parallelbedrijf van meerdere stroomgroepen staat hier uitgelegd.

Synchrone compensator

Men kan een motor/generator gebruiken om de arbeidsfaktor te verbeteren. Men gebruikt daarvoor een synchrone motor die onbelast draait en ofwel reaktief vermogen levert of opneemt naargelang de bekrachtigingsstroom. Zo'n motor wordt synchrone compensator genoemd: de bedoeling is geen aktief vermogen te leveren (generator) of te verbruiken (motor), maar om het arbeidsfaktor in een deel van het electriciteitsnet te verbeteren. Dit wordt vaak in de zware industrie gedaan (zware asynchrone motoren, electrische vlamboogovens, en dergelijke).

Als het arbeidsfactor van het netwerk te inductief is, dan moet de exciterspanning verhoogd worden zodat de compensator reactief vermogen levert. De compensator geeft als het ware een deel van zijn magnetisch veld aan de belasting. Als het arbeidsfactor te capacitief is (wat doorgaans nooit gebeurt), dan moet de exciterspanning verlaagd worden zodat de compensator reactief vermogen opneemt om zijn eigen magnetisch veld op te bouwen.

Een synchrone compensator werkt soepeler en is meer stabiel dan de condensatorbanken die tegenwoordig vaak worden toegepast. Ook werd de regeling beter als de spanning zakt (dat is wat wij willen), terwijl condensatoren effectiver zijn als de spanning hoger is. De synchrone compensator kan ook spanningsdipjes beter opvangen.

De generator als versterker

De alternator werkt in feite als een versterker van het aangevoerd electrisch vermogen. Voor de komst van de radiobuizen en later de transistoren gebruikte men alternatoren om radiogolven te produceren (zoek eens op google naar Alexanderson alternator). Met een dergelijke alternator (en een verzadigbare reactor als voortrap) kon men het geluidssignaal van een koolmicrofoon versterken tot een vermogen van 200kW (de frekwentie bedroeg maximaal 100kHz en was instelbaar door de snelheid van de alternator te wijzigen). Dergelijke alternatoren waren in gebruikt in het interbellum, vornamelijk voor intercontinentale verbindingen.

Tegenwoordig kan een generator niet meer als versterker gebruikt worden wegens bepaalde verbeteringen dia aan de alternator zijn aangebracht en die een meer gelijkmatige werking moeten garanderen (demper wikkelingen).

Ten gevolge van de hoge zelf-induktie van de bekrachtiging werkt een verandering van de exciterstroom niet direct in op de uitgangsspanning, zeker als het een tweetraps alternator betreft. De electronische module moet daar op berekend zijn en niet overdadig reageren op een spanningsverandering. Bij een te sterke reaktie ontstaat er een pendelgedrag die onderdrukt kan worden door de regeling minder strak te maken (potentiometer GAIN of STABILITY). De oscillatie heeft een kenmerkende frekwentie van 1Hz of minder.

Field Flash

Het remanent magnetisme van de veldwikkeling zorgt ervoor dat er een kleine spanning opgewerkt wordt, deze kleine spanning wordt terug naar de veldwikkeling gestuurd waardoor het magnetisme versterkt wordt. De opgewerkte spanning wordt groter en groter, totdat de regeling in werking komt om de spanning te stabiliseren.

Als het remanent magnetisme te zwak is (dit kan gebeuren als de generator lang niet gebruikt is geweest) dan moet men extern een spanning aan de bekrachtigingsspoel aanleggen. Dit kan automatisch gebeuren juist na het starten, maar sommige generatoren zijn uitgerust met een druktoets FIELD FLASH waarbij de bekrachtigingsspoel kortstondig met de batterijspanning verbonden wordt.

Pas als de correcte spanning bereikt is, kan de generator op de gebruikers aangesloten worden.

De praktische realisatie voor het opwekken van de bekrachtiging staat hier.

En om af te sluiten een algemene samenvatting van het effekt van de exciterspanning...

ExciterstroomGeleverd vermogenFrekwentie
Alleenstaand bedrijf Bepaalt de uitgangsspanningBepaald door de gebruikers
tot een limiet (verzadiging van de generator of maximaal vermogen dat de aandrijfmachine kan leveren
Bepaald door de regelaar (a)
Eilandbedrijf Bepaalt de arbeidsfactor en spanningBepaald door de aanvoer van energie (brandstof)
(percentage van het totaal geleverd vermogen)
Bepaald door de verhouding
van het gevraagd en geleverd vermogen (b)
Netgekoppeld bedrijf Bepaalt de arbeidsfactorBepaald door de aanvoer van energie (brandstof)
(net levert of neemt extra vermogen op)
Netfrekwentie is vast

a De generator (dieselmotor of turbine) beschikt over een regelaar (Woodward) om de motorsnelheid constant te houden (en dus ook de frekwentie) en zal het vermogen (brandstofverbruik) aanpassen aan de vraag. Bij generatoren met statiek zakt de frekwentie bij het verhogen van de belasting .

b Een electrisch net zal een lagere frekwentie hebben als de vraag hoger is dan het aanbod. De netbeheerders moeten dan meer generatoren inschakelen of het vermogen van de geschakelde generatoren opvoeren om de frekwentie bij te regelen.

Meer informatie over parallelbedrijf (eiland of gekoppeld).

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