Werking generator
de werking van een generator
Generator
Root server » TechTalk » Electriciteit » Generatoren » Werking alternator
Alle grote stroomgeneratoren gebruiken dezelfde onderdelen: een veldwikkeling (exciter) die een magnetisch veld opwekt en een driefasige stator die de elektriciteit produceert.

Universele generator

Deze afbeeldingen zijn van toepassing op tweetrapsalternatoren
(brushless)

A

Vanaf een vermogen van een paar kW zal je geen monofasige generatoren meer aantreffen. Monofasige generatoren hebben een lager rendement en draaien minder soepel dan een driefasige generator. Een kenmerk van een driefasige generator is namelijk de constante vermogensafgifte: als het vermogen over een fase lager wordt, stijgt het vermogen op een andere fase (voor zover de belasting evenwichtig verdeeld is over de fasen).

Een generator van meer dan een paar kW heeft altijd drie stroomaansluitingen (iedere stroomaansluiting levert bijvoorbeeld 20A op 230V) en/of een triphasé aansluiting.

Bij een alternator wordt de stroom voor de gebruikers afgenomen van de vaste wikkelingen, de stroomwikkelingen (stator). Dit heeft als voordeel dat de stroom niet overgebracht moet worden van de draaiende wikkelingen (door midel van sleepcontacten). De sleepcontacten (of koolborstels in geval van dynamo's) die een extreem hoge stroom te verwerken krijgen warmen op, verslijten en moeten regelmatig vervangen worden.

De veldwikkeling is de draaiende wikkeling (rotor). Je zal vaak de engelse benaming exciter (bekrachtiging) aantreffen. De veldwikkeling zorgt voor een draaiend magnetisch veld. De veldwikkeling heeft electriciteit nodig om een magnetisch veld op te bouwen. De nodige stroom wordt aangevoerd door twee sleepcontacten (meestal zijn dat twee kopersporen). Het geleverd vermogen is een veelvoud van het vermogen dat nodig is voor de bekrachtiging.

De alternator in een auto is een volwaardige generator. Een eigenschap is dat de wisselspanning in de alternator zelf wordt gelijkgericht door een diodebrug. Een kleine ventilator koelt de diodes en zorgt dat de alternator lang meegaat. Zoals de meeste generatoren is dit ook een driefasige generator.

Een alternator zonder veldwikkeling is een magneto. Het magnetisch veld wordt opgewerkt door een magneet. Een magneto wordt enkel gebruikt voor lage vermogens (de fiets"dynamo" is in feite een magneto).

Enkelvoudige alternatoren worden bijna niet meer gebruikt. Vanaf een zeker vermogen worden ze vervangen door een tweetraps alternator die geen sleepringen meer nodig heeft. Een voorbeeld van enkelvoudige alternator is de auto-alternator met ingebouwde regelelectronica en gelijkrichter.

Tweetraps generatoren

Bij grotere generatoren gebruikt men een tweede trap (zie afbeeldingen): de draaiende veldwikkeling van de hoofdalternator krijgt stroom van een draaiende (kleinere) generator (opwekkingsalternator of bekrachtigingsalternator). Omdat die generator een wisselspanning levert zit er een gelijkrichter (rectifier) op de rotor.

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 eerste figuur toont ons de exploded view van een alternator voor 50kW. Een statische bekrachtigingsspoel produceert een vast magnetisch veld, waarin de eerste generator (opwekkingsalternator) draait. De wisselspanning van deze eerste generator wordt gelijkgericht en geleverd aan de tweede veldwikkeling op hetzelfde as. Er zijn geen commutatoren of sleepcontacten die kunnen verslijten. De hoofdalternator levert een vermogen van 50kW.

De tweede figuur komt uit de schematische tekening. De generator 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 wteede foto). De gelijkgerichte spanning wordt naar de veldwikkeling gestuurd. 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 triphasé 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.

Instelling van de exciterstroom

Het instellen van de exciterstroom (inleiding) wordt op deze pagina besproken, dan hebben we praktische voorbeelden.
  • De exciterstroom regelt de uitgangsspanning van de alternator bij eenvoudige installaties (eilandbedrijf).

  • Als de alternator aan het electriciteitsnet gekoppeld is, dan regelt de exciterstroom het blindvermogen van de generator (die moet minimaal zijn).

Praktisch voorbeeld

De afbeelding A is het electrisch schema van het alternator gedeelte. 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 zoals gezegd voeding nodig, maar ook een referentiespanning. 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.

Gladde of uitspringende polen

De alternatoren die aan een snelheid van 1500 of 3000 toeren draaien hebben meestal een gladde rotor waarvan de polen niet uitsteken. Voor hoge vermogens kunnen de alternatoren zeer lang worden. Om het inzakken van de rotor onder zijn eigen gewicht te vermijden moet de rotor regelmatig gedraaid worden.

Traagdraaiende alternatoren hebben uitspringende polen (tot meer dan 100 polenparen voor grote alternatoren die in waterkrachtcentrales gebruikt worden). De omwentelingssnelheid is omgekeerd evenredig kleiner net het aantal polen, bijvoorbeeld 60 omwentelingen/minuut voor een alternator met 50 polenparen.

B
De afbeelding B toont ons een generator waarvan de hulpspanning geleverd wordt 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: sommigen betrekken de voeding voor de electronika uit het 24V boordnet. Kleine generatoren zijn soms "self-exited" en berusten op het remanent magnetisme om een kleine spanning op te wekken, die dan naar de bekrachtingingsspoel gestuurd wordt om het verld 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.

Wikkeling van de stator

Een alternator heeft verschoven statorspoelen: een statorpool bestaat uit elementaire spoelen die in serie geschakeld zijn. De figuur toont een een plat gelegde stator, met de NZNZ-rechthoeken die de positie van de polen op de rotor aangeven. Dit wordt gedaan bij monofasige en driefasige alternatoren (figuur van een monofasige stator).

Het voordeel is dat de spanning een sinusvormig verloop heeft zelfs als het magnetisch veld langs de stator vervormd is.

Het magnetisch veld in de opeenvolgende spoelen bereikt niet gelijktijdig een maximum, waardoor de fase in de opeenvolgende spoelen ook verschoven is: de maximum amplitude wordt dus niet gelijktijdig bereikt. De totale emk (electro-motorische kracht) is lager dan indien alle spoelen op één pool zouden liggen, de waarde hangt af van het aantal spoelen per pool.

Ook driefasige motoren (synchroon of asynchroon) hebben verschoven statorpolen om een meer gelijkmatige koppel te hebben. Zie als voorbeeld de stator van een driefasige asynchrone motor. Je merkt dat er geen eenduidige pool is, maar een reeks verschoven spoelen. Het draaiveld verschuift zo soepeler van spoel naar spoel.

Extra links:

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