R

ELEKTRICITEIT GELIJKSTROOMGENERATOREN

Technisch Instituut Sint-Jozef , Wijerstraat 28, B-3740 Bilzen 1

Cursus : I. Claesen / R. Slechten , Versie:13/12/2004 Gelijkstroomgeneratoren ...............................................................................................................................................2 1.1 1.2 1.3

Bepaling..........................................................................................................................................................................2 Toepassingsgebied ....................................................................................................................................................2 Werkingsprincipe.......................................................................................................................................................2

1.4 1.5

Samenstelling..............................................................................................................................................................3 Werking van de collector -commutator ............................................................................................................5

1.6 1.7 1.8

Verschil tussen een wissel- en gelijkstroomgenerator .............................................................................6 Ankerwikkelingen.......................................................................................................................................................7 Gegenereerde e.m.s. in de ankerwikkeling ......................................................................................................8

1.9 1.10

Tegenwerkend koppel van het anker.................................................................................................................9 Ankerreactie ...............................................................................................................................................................9

1.10.1 1.10.2

Verschijnsel ........................................................................................................................................................9 Gevolgen .............................................................................................................................................................10

1.10.3 Hulppolen.............................................................................................................................................................11 1.10.4 Compensatiewikkeling ....................................................................................................................................11 1.11 Commutatie ................................................................................................................................................................12 1.12 1.13

Bekrachtiging van gelijkstroomgeneratoren ...............................................................................................13 Gelijkstroomgenerator met onafhankelijke bekrachtiging ...................................................................14

1.13.1 1.13.2 1.13.3

Opstelling...........................................................................................................................................................14 Nullastkarakteristiek ...................................................................................................................................15 Inwendige karakteristiek ...........................................................................................................................15

1.13.4 Uitwendige karakteristiek ..........................................................................................................................16 1.14 Gelijkstroomgenerator met shuntbekrachtiging .......................................................................................17 1.14.1 1.14.2

Opstelling...........................................................................................................................................................17 Werkpunt van de generator.......................................................................................................................18

1.14.3 Uitwendige karakteristiek ..........................................................................................................................18 1.14.4 Niet op spanning komen ...............................................................................................................................19 1.15 Gelijkstroomgenerator met compoundbekrachtiging. ............................................................................ 20 1.15.1 1.15.2

Opstelling.......................................................................................................................................................... 20 Uitwendige karakteristiek ......................................................................................................................... 20

1.15.3 1.15.4

Anti-compound.................................................................................................................................................21 Hyper -compound .............................................................................................................................................21

1.16 Gebruik van gelijkstroomgeneratoren........................................................................................................... 22 1.16.1 Voorbeelden..................................................................................................................................................... 22 1.17 Polariteit .................................................................................................................................................................... 22 1.18 1.19

Vermogens in een gelijkstroomgenerator .................................................................................................... 23 Rendement van een gelijkstroomgenerator ................................................................................................ 24

1.20 1.21 1.22

Uitgewerkte opgaven ....................................................................................................................................... 24 Toepassingen ............................................................................................................................................................ 25 Herhalingstaken ................................................................................................................................................. 26

1 Gelijkstroomgeneratoren 1.1

Bepaling

Een gelijkstroomgenerator is een elektrische machine, die mechanische rotatie-energie omzet in elektrische gelijkstroomenergie.

1.2

Toepassings gebied

Het praktisch gebruik van de gelijkstroomgeneratoren is de laatste decennia sterk achteruitgegaan als gevolg van de evolutie van de gelijkrichtingstechniek. Vandaar dat enkel een opsomming gegeven wordt van de belangrijkste toepassingen: - Voeding van gelijkstroommotoren met erg veranderlijke belasting; - Voeding van gelijkstroomnetten. (Zie labo elektriciteit) - Tachogenerator.

1.3

Werkingsprincipe

Twee basisprincipes worden gehanteerd: Als een geleider met lengte l de veldlijnen van een uniform magnetisch veld B met een eenparige snelheid v snijdt onder een hoek a t.o.v. de richting van de veldlijnen, wordt in die geleider een elektromagnetische spanning (ems) gegenereerd waarvan de grootte bepaald wordt door:

e = B.l .v.sin α

(1)

2 Theorie Gelijkstroomgeneratoren

Als in een spoel met N windingen een omsloten fluxverandering dF optreedt in een tijdsinterval dt tengevolge van een beweging, dan is de gegenereerde ems:

e = −N

δφ δt

(2)

In de praktijk wordt een spoel rondged raaid rond haar as tussen de polen van een magnetisch veld. Er ontstaat dan evenwel volgens uitdrukking (1) een sinusvormige ems in de spoel omdat de doorlopen hoek a lineair verandert volgens:

α = ω .t

(3)

Deze wisselspanning wordt omgezet in gelijkspanning en vervolgens naar buiten gebracht. Hiertoe gebruikt men de collector-commutator, een mechanisch gelijkrichtsysteem. Tegenwoordig wordt deze mechanische gelijkrichter echter vervangen door elektronische Si-diodes (zie wisselstroom - generatoren: autogenerator). Om de zin van de ems te bepalen in een geleider gebruiken we de rechterhandregel: - de handpalm houden we zodanig dat de zin van het magnetisch veld er binnentredend is; - de duim houden we in de zin van de beweging van de geleider in het magnetisch veld; - de vingers duiden vervolgens de zin van de ems aan in de betreffende geleider.

1.4

Samenstelling

Een gelijkstroomgenerator bezit in de stator de inductoren voor het opwekken van het magnetische veld van de generator en in de rotor (of het anker) de wikkelingen voor het genereren van de ems, ankerwikkelingen geheten. Het statorgedeelte bestaat uit een gietstalen geraamte dat aan de binnenzijde voorzien is van uitspringende polen die zorgen voor het magnetisch veld in de generator. Iedere pool bestaat uit een (gelamelleerde) kern, een gelamelleerde poolschoen en een bekrachtigings wikkeling. In de bekrachtigingswikkelingen, die aangebracht worden rond de kernen, wordt een gelijkstroom ingestuurd via vaste klemmen (klemaanduiding: J-K of C-D). De poolschoen zorgt voor een betere verdeling van de magnetische flux in de luchtspleet tussen de poolschoen en de rotor. De borstels die vervaardigd zijn uit grafiet (koolstof) worden bevestigd in borstelhouders en nemen de stroom af van de ronddraaiende collector -commutator.


De rotor bestaat uit een cilindervormige elektromagnetische keten van gelamelleerd Si-staal, aan de omtrek voorzien van gleuven, waarin de werkzame geleiders van de ankerwikkeling (klemaanduiding: A-B) worden aangebracht. De uiteinden van de ankerspoelen zijn verbonden met de koperen lamellen van de collector-commutator aan een zijde van het anker aangebracht. De hardkoperen plaatjes zijn onderling geisoleerd door micanietplaatjes.


1.5

Werking van de collector-commutator

Het doel van de collector (verzamelaar) is de gegenereerde spanningen van de verschillende ankerspoelen te verzamelen en via de borstels de ankerwikkeling te verbinden met de verbruiker. Het doel van de commutator (omschakelaar) is de verbindingen van de verschillende ankerspoelen te veranderen op het ogenblik dat de ems erin nul wordt en omkeert van zin. De meest eenvoudige collector-commutator bestaat uit 2 van elkaar geïsoleerde halve ringen, waaraan de uiteinden van de winding verbonden zijn. De borstels A en B staan diametraal tegenover elkaar.

In de getekende stand van de voorstelling is de ems in de geleiders 1 en 2 maximum; de polariteit is zodanig dat borstel A de positieve klem vormt (A+ en B-) . Op het ogenblik dat de winding voorbij de horizontale (of neutrale) stand komt, is de ems in beide geleiders nul; de borstels sluiten de collectorsegmenten a en b kart: dit heeft geen gevolgen daar de ems in beide geleiders toch nul is. Eens de winding voorbij de neutrale stand, komt geleider 1 in het Z-poolgebied en geleider 2 in het N-poolgebied. De zin van de ems in beide geleiders is wel veranderd; ondertussen zijn echter de collectorlamellen a en b in contact gekomen met de andere borstels B en A. Het gevolg is dat borstel A de positieve klem blijft, zodat de stroomzin in de verbruiker niet wijzigt.

Als het magnetisch veld homogeen is, zal de ems in de winding sinusvormig zijn en de pulserende stroom in de verbruiker is dan samengesteld uit halve sinusoiden. Het magnetisch veld verloopt in de luchtspleet echter radiaal (kortste weg), zodat de ems van de winding onder de poolschoen maximum zal zijn (a = 90°). De ems verloopt dan trapeziumvormig.


1.6

Verschil tussen een wissel- en gelijkstroomgenerator Gelijkstroomgenerator

Wisselstroomgenerator


1.7

Ankerwikkelingen

Indien verscheidene windingen over het anker worden verdeeld, dan zal de collector-commutator bestaan uit verschillende segmenten, waarop de uiteinden van deze windingen verbonden worden. Door de serie-parallelschakelingen van deze spoelen, krijgen we een nagenoeg constante gelijkspanning. In de volgende voorstelling is een tweepolige luswikkeling getekend. Door gebruik te maken van de rechterhandregel, kunnen we de verschillende stroomzinnen opzoeken en bijgevolg ook de plaats van de borstels.

In het stroomkringschema zien we dat de geleiders opgenomen zijn in een serieparallelschakeling: 2 ankertakken en 4 spanningen in serie. Vermits het aantal ankertakken van een ankerwikkeling steeds even is, stelt men het aantal paar parallelle ankertakken voor door a. Het aantal parallelle ankertakken is dus 2. a Indien het aantal werkzame geleiders in het anker voorgesteld wordt door z, dan is het

aantal spannigen in serie per tak =

(ß Transparant)

z 2.a

fig. a

fig. b

Tot slot illustreert figuur b het uitgeslagen wikkelschema van de voorgestelde luswikkeling.


1.8

Gegenereerde e.m.s. in de ankerwikkeling De gegenereerde e.m.s. opgewekt in een geleider is: E1 = B.l.v In deze uitdrukking stelt: - B de inductie voor:

B=

φ S

- l de lengte van de werkzame geleiders - v de omtreksnelheid van het anker: De uitdrukking wordt dan:

E1 =

v=

π .d .n 60

met n in

tr min

φ .l π. .d .n 60. S

Vermits het aantal polen steeds een even getal is, stellen we het aantal paar polen voor door p. Het aantal polen van de generator is dan 2. p

De totale manteloppervlakte van het anker vinden we met de uitdrukking π .d.l (omtrek x hoogte). De oppervlakte S per pool is bijgevolg deze totale manteloppervlakte gedeeld door het aantal polen of in formulevorm:

S=

π .d .l 2. p

(4)

De uitdrukking van de e.m.s. in een enkele geleider wordt dan: Vermits er per ankertak ankertak:

Etak =

E1 =

2. p.φ. n 60

z werkzame geleiders zijn, wordt de gegenereerde e.m.s. in een 2.a

p.z .φ.n 60. a

De gegenereerde e.m.s. in de ankerwikkeling van de generator is de ems in een ankertak, zodat de algemene uitdrukking van de gegenereerde ems in de ankerwikkeling wordt:

E = ke.φ .n

(5)

waarin ke de elektrische machineconstante wordt genoemd, vermits voor een bepaalde machine p, z en a constanten zijn:

ke =

p .z 60.a

(6)

Besluit: De gegenereerde e.m.s. is dus evenredig met de flux in de generator en met de draaisnelheid van het anker.


1.9

Tegenwerkend koppel van het anker

Zodra de generator elektrische energie levert aan de verbruiker, zal de stroom ervan vloeien door de anker-wikkelingen van de generator. De stroomvoerende geleiders van het anker zullen in het magnetisch veld van de generator Lorentzkrachten ondervinden die de drijvende kracht van de aandrijvende machine zal tegenwerken (wet van Lenz). Er ontstaat een tegenwerkend koppel Tt:

Tt = km .φ.I a

(7)

waarin km de mechanische machineconstante wordt genoemd, vermits voor een bepaalde machine p, z en a constanten zijn:

km =

p.z 2.n.a

(8)

Besluit: Het tegenwerkend koppel van het anker is evenredig met de flux in de genera tor en met de geleverde ankerstroom. (bewijs: zie gelijkstroommotoren) Het tegenwerkend koppel dat dus groter wordt met de stroom, zal door de aandrijvende machine overwonnen moeten worden. De aandrijvende machine zal bijgevolg meer rotatie-energie moeten toevoeren.

1.10 Ankerreactie 1.10.1 Verschijnsel Als het anker van een gelijkstroomgenerator onbelast is, dus geen stroom voert, bestaat in de generator enkel de statorflux Fs, die gericht is volgens de poolaslijn ab. Ze wordt opgewekt door de statorpolen en sluit zich langs de mantel van de stator.


Indien de generator echter belast wordt, zal de ankerstroom een ankerflux Fa voortbrengen, die loodrecht staat op de statorflux en gericht is volgens de neutrale lijn cd. Het ankerveld Fa vormt samen met het statorveld Fs een resulterend magnetisch veld F. De inwerking van het ankerveld op het statorveld noemt men ankerreactie.

1.10.2 Gevolgen

Door de ankerreactie wordt de inductie onder de uitgaande spitsen (geleider komt onder de pool uit) versterkt en onder de ingaande spitsen verzwakt. Omdat echter de magnetische inductie tengevolge van de statorflux groo t is, zodat de polen verzadigd zijn, zal geen vermeerdering van de inductie kunnen optreden onder de uitgaande spitsen. De fluxvermindering zal zich echter wel voordoen onder de ingaande spitsen, zodat resulterend een fluxdaling zal optred en. Hierdoor zal de gegenereerde ems in de ankerwikkeling oak dalen. De neutrale lijn verdraait over een hoek B in de draaizin van het anker. Deze hoek is gro ter naarmate de ankerstroo m, en dus de ankerreactie groter is. De gegenereerde ems wordt nu nul in de nieuwe neutrale lijn, zodat wel degelijk een kleine spanning wordt opgewekt in de stand van de oude neutrale lijn, waardoor het commuteren meer wordt bemoeilijkt (vonkvorming). 10 Theorie Gelijkstroomgeneratoren

1.10.3 Hulppolen Deze hulppolen moeten het ankerveld bestrijden. Het zijn kleine, smalle polen die tussen de hoofdpolen worden geplaatst. Ze zijn voorzien van weinig windingen dikke draad, die in serie geschakeld zijn met de ankerwikkeling. De polariteit van de hulppool is deze van de in de draaizin volgende polariteit van de hoofdpool. Bij een juiste keuze van het aantal amperewindingen zal de ankerdwarsflux grotendeels geneutraliseerd worden. Hulppolen worden gebruikt bij machines met klein vermogen (kW).

1.10.4 Compensatiewikkeling De compensatiewikkeling wordt aangebracht in gleuven die voorzien worden in de poolschoenen van de statorhoofdpolen. De compensatiewikkeling staat eveneens in serie met de ankerwikkeling, waardoor het compensatieveld evenredig wordt met de ankerstroom. De zin van de compensatieflux Fc is tegengesteld aan de ankerdwarsflux Fa. Doo r een gepast aantal compensatiewindingen te kiezen, wordt een degelijke compensatie verkregen. Compensatiewikkelingen worden toegepast voor gelijkstroomgenerato ren met groot vermogen.


1.11 Commutatie Commuteren is het omkeren van de stroomzin in een wikkelspoel als die van het ene naar het andere poolgebied overgaat. Beschouwen we drie wikkelspoelen (1,2 en 3) waarbij het commutatieverschijnsel zal optreden in wikkelspoel 2. Voo r de commutatie begint, krijgt de borstel A (+) die zich bevindt op lamel b zijn stroom (Ia) enerzijds via spoel 1 (takstroom I) en anderzijds via spoel 2

(takstroom I). Als de commutatie begint, zal de borstel gelijktijdig in contact zijn met de lamellen b en c, zodat wikkelspoel 2 nu kortgesloten wordt, hetgeen niet nadelig is daar de ems erin nul is (neutrale lijn). De borstel A krijgt zijn stroom van de linkertak via spoel 1 en lamel b en van de rechtertak via spoel 3 en lamel c. De stroom I die zojuist in de rechtertak via spoel 2 nog vloeide gaat kleiner worden

door de kort-sluiting van spoel 2 via de lamellen b en c en de borstel A. Als de commutatie beëndigd wordt, zal de borstel A lamel b verlaten en dus alleen maar in contact zijn met lamel c. De borstel A krijgt zijn stroom van de rechtertak nog steeds via spoel 3 en lamel c, maar krijgt de stroom van de linkertak nu via spoel 2 en lamel c. De stroom in spoel 2 is dus plots gestegen van 0 naar I, waardoor in wikkelspoel 2 een zelfinductiespanning gaat optreden, tegen de zin in van de opgedrongen stroom. Het gevolg is dat de stroom gedeeltelijk via lamel b naar borstel A zal overspringen onder de vorm van een vonk. De voortdurende commutaties zullen de collector oververhitten en beschadigen. Om de optredende zelfinductiespanning tegen Ite gaan, worden zogeheten commutatiepolen (zie hulppolen) gebruikt, die tijdens de commutatie een ems genereren in de commuterende spoelen en op deze manier de zelfinductie-spanningen en dus ook de vonkvorming tegengaan. 12 Theorie Gelijkstroomgeneratoren

1.12 Bekrachtiging van gelijkstroomgeneratoren Bekrachtiging (excitatie) is het opwekken van de magnetische flux in de elektromagnetische keten van een generator. Ze kan bekomen worden met: - permanente magneten: toegepast voor gelijkstroomgeneratoren met klein vermogen en als tachogenerator gebruikt in de regeltechniek (klemspanning evenredig met het toerental); - elektromagneten: toegepast voor gelijkstroomgeneratoren met groot vermogen, waarbij de veldwikkelingen gevoed worden met behulp van een gelijkstroom; naargelang van de herkomst van deze gelijkstroom, spreken we over: - onafhankelijke bekrachtiging: de generator wordt bekrachtigd door een spanningsbron, die onafhankelijk is van de generator (een batterij accumulatoren, een wisselspanningsbron met gelijkrichter, een andere generator). - zelfbekrachtiging: de bekrachtigingswikkeling krijgt een stroom afkomstig van de generator zelf (de veldwikkeling wordt in parallel aangesloten op de ankerwikkeling). Zelfbekrachtiging is mogelijk dankzij het remanent magnetisme. In de ankerwikkeling die in dit zwak magnetisch veld draait, wordt een kleine ems gegenereerd. Die kleine spanning is oorzaak van een kleine stroom in de bekrachtigingswikkeling, waardoor het magnetisch veld versterkt wordt (indien de stroomzin goed gekozen is). De rotor draait nu in een sterker magnetisch veld waardoor de gegenereerde ems gro ter geworden is. De stroom in de veldwikkeling neemt toe, alsook de gegenereerde ems in de ankerwikkeling : we zeggen dat de generator op spanning komt. Dit verschijnsel gaat door totdat de elektromagnetische keten verzadigd is. Bij generatoren met zelfbekrachtiging onderscheiden we: o shuntbekrachtiging: de veldwikkeling wordt in parallel geschakeld met de ankerwikkeling;

o

compoundbekrachtiging: bezit een bijkomende veldwikkeling voor serieschakeling.

Korte shunt


lange shunt

1.13 Gelijkstroomgenerator met onafhankelijke bekrachtiging 1.13.1 Opstelling In het schakelschema vinden we twee kringen terug: de ankerketen en de veldketen. De ankerketen, die de stroom moet leveren aan een belasting met weerstand R, bestaat uit een serieschakeling van de ankerwikkeling (geschakeld tussen de borstels, klemaanduiding A-B),en de hulpwikkeling en/of compensatiewikkeling (klemaanduiding G-H).

De bekrachtigingswikkeling (klemaanduiding J-K) wordt gevoed door een onafhankelijke gelijkstroombron. De grootte van de flux wordt bepaald door de uitdrukking:

φ=

N m .I m ℜm

(9)

De bekrachtigingsstroom Im wordt klein gehouden, teneinde de gelijkstroombron zo weinig mogelijk te belasten en een klein jouleverlies in de bekrachtigingswikkeling te laten ontstaan. Dit houdt in dat het aantal windingen Nm van de veldwikkeling groot moet gekozen worden, hetgeen een hoge zelfinductiecoëfficiënt teweegbrengt:

Lm =

Nm2 ℜm

(10)

De draaddoorsnede van de veldwikkeling is klein, waardoor de magnetische weerstand Rm relatief groo t is. Om het magnetisch veld veranderlijk te maken, wordt in serie met de veldwikkeling een regelweerstand Rv geplaatst: het is de veldregelaar (klemaanduiding s-t). Omdat de veldwikkeling zeer inductief is, moeten er voorzorgen genomen worden bij het onderbreken van de veldketen: de hoge zelfinductiespanning kan doorslag van de isolatie van de veldwikkelingen tot gevolg hebben. Vandaar dat de veldregelaar uitgerust is met een rustcontact (q), waardoor de veldwikkeling wordt kortgesloten bij uitschakeling: hierdoor wordt de veldstroom kortgesloten en de opgehoopte energie in het magnetisch veld wordt dan in de veldwikkeling omgezet in warmte. 14 Theorie Gelijkstroomgeneratoren

1.13.2 Nullastkarakteristiek De nullastkarakteristiek geeft het verband weer tussen de gegenereerde e .m.s. E in de ankerwikkeling en de bekrachtigingsstroom Im in de veldwikkeling, bij constant toerental en bij nullast van de generator:

E = f (Im ) met (n = constant, la = 0) Als de generator voor het eerst in gebruik wordt genomen, zal voor Im = 0 geen ems gegenereerd worden in de ankerwikkeling, onafhankelijk van de snelheid. De curve begint dan in de oorsprong 0 (1). Voor relatief kleine waarden van de bekrachtigingsstroom Im, is de ems evenredig met Im, omdat nog geen verzadigingsverschijnselen optreden in de magnetische keten. De curve verloopt in het begin dus rechtlijnig. Bij hogere waarden van 1m zal de curve afbuigen naar de Im-as, tengevolge van de verzadigingsverschijnselen. Indien nu de bekrachtigingsstroom 1m afneemt zal de ems E verminderen. We stellen echter vast dat voor eenzelfde waarde van Im de ems E een hogere waarde heeft dan zojuist (2). Dit is te wijten aan het hysteresisverschijnsel. Als Im = 0 geworden is, zal nog een ems Er in de ankerwikkelingen gegenereerd worden, tengevolge van het remanent magnetisme. Bij een volgende stijging van de bekrachtigingsstroom Im zal de curve beginnen in O' (3). Over het algemeen werkt een generator met ongeveer verzadigde magnetische keten.

1.13.3 Inwendige karakteristiek De inwendige karakteristiek geeft het verband weer tussen de ems E in de ankerwikkeling en de uitwendige stroom I, bij constante snelheid n en constante bekrachtigingsstroom Im:

E = f (I a ) met ( n = ct , I m = ct )


Theoretisch kunnen we stellen dat volgens uitdrukking (5 (E = ke.F .n)) de gegenereerde ems E in de ankerwikkeling constant is, en dus onafhankelijk van de belastingsstroom Ia. De curve is een rechte evenwijdig met de I-as. In werkelijkheid kunnen we stellen dat de gegenereerde ems E daalt bij toenemende belastingsstroom Ia. Dit is te wijten aan de stijging van de ontmagnetiserende invloed van de ankerreactie. De flux daalt dan, waardoor de ems E daalt. (De inwendige karakteristiek kan geconstrueerd worden met behulp van de uitwendige karakteristiek en formule 11).

1.13.4 Uitwe ndige karakteristiek De uitwendige karakteristiek geeft het verband weer tussen de klemspanning U van de generator en de belastingsstroom Ia, bij constante snelheid n en constante bekrachtigingsstroom Im:

U = f (Ia ) met ( n = ct , I m = ct ) De klemspanning U is het verschil tussen de ems E gegenereerd in de ankerwikkeling en het inwendig ohms spanningsverlies in de ankerketen (ankerwikkeling en hulpwikkeling):

U = E − I a .( Ra + Rh )

(11)

Bij toenemende stroom Ia, zal het inwendig ohms spanningsverlies in de ankerketen stijgen, waardoor de klemspanning lager daalt dan de ems E. Bij stijging van de stroom boven de nominale waarde In, zal de klemspanning geleidelijk verder dalen en zelfs afnemen tot nul, als de generator wordt kortgesloten. De kortsluitstroom is dan:

Ik =

E Ra + Rh

(12)

Kortsluiting levert gevaar op voor verbranding van de ankerwikkelingen van de generator.

De spanningsdaling van de klemspanning van de gelijkstroomgenerator met onafhankelijke bekrachtiging is gelegen tussen 4 en 10 % van de nominale waarde En.


1.14 Gelijkstroomgenerator met shuntbekrachtiging 1.14.1 Opstelling Het is een generator met zelfbekrachtiging, waarbij de veldketen parallel wordt geschakeld met de ankerketen. De ankerketen bestaat uit de ankerwikkeling (A-B) en de hulp en/of compensatiewikkeling (G-H), te rwijl de veldketen opgebouwd is uit de bekrachtigingswikkeling (C-D) en de veldregelaar (s-t).

De ankerstroom Ia splitst zich in de belastingsstroom I in de uitwendige keten en de bekrachtigingsstroom Im in de veldketen:

Ia = I + Im

(13)

Door het feit dat de generator zelf de bekrachtigingsstroom moet leveren, zal de bekrachtigingsstroom Im klein worden gehouden om de generator niet te zwaar te belasten. Om met deze kleine stroom Im de nodige flux F (9) te bekomen, moet men de shuntwikkeling uitvoeren met veel windingen. Veel windingen dunne draad, levert een grote weerstand Rm, een hoge zelfinductiecoëfficiënt Lm (10). De veldregelaar wordt dus ook voo rzien van een kortsluitcontact q. 17 Theorie Gelijkstroomgeneratoren

1.14.2 Werkpunt van de generator Veronderstellen we nu dat bij de shuntgenerator de veldregelaar volledig is uitgeschakeld, dan is de weerstand van de veldketen gelijk aan de weerstand van de veldwikkeling Rm; tussen de klemspanning U en de bekrachtigingsstroom Im bestaat volgend verband:

U = Rm .I m De curve van de magnetisatieketen stelt dus eenvoudigweg een rechte door de oorsprong voor, waarvan de helling bepaald wordt door de weerstand van deze keten:

tg α =

U = Rm Im

Het nullastwerkpunt S van de shuntgenerato r w ordt bepaald door het snijpunt van de nullastkarakteristiek en de rechte door de oorsprong. Als we de weerstand van de veldregelaar Rv vergroten, zal ook de weerstand van de veldketen vergroten, waardoor de helling van de rechte groter wordt (a). Het snijpunt S zal dan naar links verplaatsen over de nullastkarakteristiek, waardoor de gegenereerde ems kleiner wordt.

1.14.3 Uitwendige karakteristiek De uitwendige karakteristiek geeft het verband weer tussen de 1 klemspanning U van de generator en de belastingsstroom I, bij constante snelheid n en constante weerstand van de Bekrachtigingsketen Rm:

U = f (I) met (n = ct., Rm = ct.)


De karakteristiek van de shuntgenerator is dalend, omwille van: - de daling van de gegenereerde ems in de ankerwikkeling door de ankerreactie; - de daling van de klemspanning doordat het inwendig ohms spanningsverlies in de ankerketen toeneemt; - de daling van de gegenereerde ems in de ankerwikkeling door het feit dat de flux vermindert, omdat de bekrachtigingsstroom Im kleiner wordt, daar U daalt.

De daling van de uitwendige karakteristiek is groter dan bij de generator met onafhankelijke bekrachtiging, omdat de bekrachtigingsstroom bij de shuntgenerator daalt (omdat U daalt) en bij de onafhankelijk bekrachtigde generator constant blijft. Bij de nominale stroom In is de daling van U bij de shuntgenerator ongeveer 15 %. Wordt de shuntgenerator overbelast, dan zal bij een bepaalde maximum stroomsterkte Imax een ontmagnetisatieverschijnsel optreden, waarna de stroomsterkte geleidelijk zal afnemen, tot bij kortsluiting van de generator (U = 0). De kortsluitstroom Ik wordt enkel bepaald door de ems opgewekt door het remanent magnetisme en de inwendige weerstand van de ankerketen:

Ik =

Er Ra + Rh

(14)

Door de terugval van de karakteristiek, is het mogelijk de shuntgenerator kort te sluiten zonder gevaar voor verbranding van de ankerwikkelingen, op voorwaarde dat dit niet plots gebeurt.

1.14.4 Niet op spanning komen De volgende oorzaken van het niet op spanning komen van de shuntgenerator kunnen voorkomen: - Er is geen remanent magnetisme aanwezig in de magnetische keten van de generator; vanuit een onafhankelijke bron wordt even een stroom gestuurd in de bekrachtigingsketen. - Het remanent magnetisme wordt tegengewerkt, waardoor de ems daalt; de stroomzin in de veldwikkeling kan omgekeerd worden door de aansluitingen van de veldwikkeling om te keren ofwel kan de zin van de ems in de ankerwikkeling omgekeerd worden door de draaizin van de generator te veranderen. - De weerstand van de bekrachtigingsketen is te hoog, waardoor het werkpunt S te laag ligt; de weerstand van de veldketen verlagen door de veldregelaar meer uit te schakelen of door de snelheid te verhogen waardoor de nullastkarakteristiek hoger komt te liggen en het werkpunt naar rechts opschuift. 19 Theorie Gelijkstroomgeneratoren

1.15 Gelijkstroomgenerator met compoundbekrachtiging. 1.15.1 Opstelling De compoundgenerator bezit twee veldwikkelingen: een veldwikkeling voor parallelschakeling (C-D) en een veldwikkeling voor serieschakeling (E-F). Er bestaan twee mogelijke schakelschema's: - met korte shunt: de shuntwikkeling staat direct parallel over de ankerketen, terwijl de seriewikkeling in serie staat met de belasting; de stroom in de seriewikkeling is dan:

Is = I

(15)

- met lange shunt: de shuntwikkeling staat parallel over de serieschakeling van ankerketen en seriewikkeling; de stroom in de seriewikkeling wordt dan:

Is = Ia

(16)

Omdat de stroom in de seriewikkeling in beide schakelingen groot is, zal het aantal windingen om de vereiste flux (9) te bekomen relatief klein zijn. De seriewikkeling bestaat dus uit weinig windingen, dikke draad rand de poolkernen. De weerstand Rs en de zelfinductiecoefficient Ls (10) zijn laag.

1.15.2 Uitwendige karakteristiek De uitwendige karakteristiek geeft het verband weer tussen de klemspanning U van de generator en de belastingsstroom I, bij constante snelheid n en constante weerstand van de bekrachtigingsketen Rm: U = f(I) met n = cte en Rm = cte


Als de compoundgenerator onbelast is vloeit er in de seriewikkeling geen stroom, en bestaat er in de generator enkel de flux voortgebracht door de shuntwikkeling, waardoor een bepaalde waarde van de klemspanning (ems) gegenereerd wordt in de ankerwikkeling. Zonder seriewikkeling, zal als de generator belast wordt met de nominale stroom In een bepaalde spanningsdaling ontstaan, door het feit dat de shuntflux in waarde gedaald is (zie oorzaken bij shuntgenerator). Door een juiste keuze van het aantal windingen van de seriewikkeling, kan de daling van de shuntflux gecompenseerd worden door de serieflux (mee-compound) , zodat bij de nominale belastingsstroom In, de oorspronkelijke waarde van de klemspanning terug bekomen wordt. Men spreekt dan van juiste compensatie. Fig.

1.15.3 Anti-compound De aansluiting van de seriewikkeling is zo gemaakt, dat de serieflux de shuntflux tegenwerkt. Bij stijgende belastingsstroom I, zal de flux dan sterk dalen, zodat de klemspanning ook sterk zal dalen. Fig.

1.15.4 Hyper-compound De hypercompoundgenerato~ is voorzien van een versterkte seriewikkeling (mee-compound), zodat de klemspanning gro ter is dan de oorspronkelijke waarde bij de nominale stroom. Op deze wijze kunnen de spanningsverliezen in de leidingen r' tussen generator en belasting gecompenseerd worden, zodat de belasting een min of meer constante klemspanning ve rkrijgt.


1.16 Gebruik van gelijkstroomgeneratoren Gelijkstroomgenerator met permanente magneten: Hij wordt aangewend als tachogenenator in de regeltechniek, waardat het toerental van een bepaalde as omgezet wordt in een evenredige spanning op zijn klemmen. Gelijkstroomgenerator met onafhankelijke bekrachtiging: We onthouden voornamelijk dat spanningsregeling bij deze generator op een zeer soepele wijze gebeurt, waardoor hij bijzonder geschikt is voor voeding van gelijkstroommotoren met sterk wisselende belasting (liften, walsen). Shuntgeneratoren: Ze worden aangewend voor het voeden van gelijkstroomnetten (parallelwerking) en voor het laden van batterijen. Compoundgenerator: hij leent zich het best voor het voeden van gelijkstroomnetten voor elektrische tractie. Anti-compoundgenerator: wordt aangewend voor vlamb ooglasapparaten vooral voor het lassen van non-ferromaterialen.

1.16.1 Voorbeelden 1.16.1.1

Tachogenerator

1.17 Polariteit Om de polariteit van de gegenereerde ems en dus van de klemspanning te veranderen, volstaat het: ofwel de draaizin van de aandrijfmachine om te keren; ofw el de polariteit van de polen te wijzigen. Bij generatoren met een veldwikkeling kan de polariteit van de polen gewijzigd worden door de zin van de veldstroom om te keren; dit kan men bekomen door de aansluitingen van de veldwikkeling te verwisselen. Bij generatoren met zelfbekrachtiging dient men er op te letten, dat de zin van het remanent magnetisme eerst wordt gewijzigd, daar anders de generator niet op spanning kan komen; dit kan gebeuren door even een stroom te sturen vanuit een onafhankelijke bron.


1.18 Vermogens in een gelijkstroomgenerator Het nuttig vermogen Pn van de generator is het elektrisch vermogen dat de generator ter beschikking stelt van de belasting:

Pn = U .I

(17)

Het inwendig vermogen Pi van de generator is het vermogen dat door de ankerwikkeling van de generator ontwikkeld wordt:

Pi = E .I a

(18)

Het toegevoerd vermogen is het mechanisch rotatie-vermogen dat door de aandrijfmachine aan de as van de generator wordt afgeleverd:

Pt = T .ω

(19)

Bij generatoren met onafhankelijke bekrachtiging wordt ook nog een elektrisch vermogen in de bekrachtigingsketen toegevoerd:

Pt = T .ω + ( Rm + Rv ).I m 2

(20)

De vermogensverliezen die in de generator voorkomen zijn: - de mechanische verliezen Pm: het zijn de wrijvingsverliezen veroorzaakt door de as in de lagers, de borstels op de collector, ventilatie van de generator; - de ijzerverliezen Pfe: hysteresis- en wervelstroomverliezen in de ferro-magnetische keten van de rotor en poolschoenen; - de koperverliezen Pcu: jouleverliezen in de ankerwikkeling, jouleverliezen in de hulp- en/of compensatiewikkeling en jouleverliezen in de veldketen van een generator met zelfbekrachtiging:

Pcu = ( Ra + R h ).I a 2 + ( Rm + Rv ).I m 2 + Rs .I s 2

(21)

Het verband tussen het toegevoerd vermogen, het inwendig elektrisch vermogen en het nuttig vermogen kan met behulp van de volgende uitdrukkingen beschreven worden:

Pt = Pi + Pm + Pfe

(22)

Pi = P + Pcu

(23)


1.19 Rendement van een gelijkstroomgenerator Het totaal rendement van een gelijkstroomgenerator is de verhouding van het nuttig elektrisch vermogen tot het toegevoerd vermogen:

η=

Pn Pt

(24)

Het elektrisch rendement ne van een gelijkstroomgenerator is de verhouding van het nuttig tot het inwendig elektrisch vermogen:

ηe =

Pn U .I = Pi E .I a

(25)

Bij een generator met onafhankelijke bekrachtiging is I = Ia zodat uitdrukking (25) wordt:

ηe =

U E

(26)

Het totaal rendement van een gelijkstroomgenerator is afhankelijk van de belastingsstroom I en ligt boven de 90 %.

1.20 Uitgewerkte opgaven 1. Het anker van een zespolige gelijkstroomgenerator heeft 360 werkzame geleiders, verdeeld over zes ankertakken en draait met een snelheid van 1000 tr/min. De flux per pool is 40 mWb. Bereken de waarde van de gegenereerde ems. Oplossing ke = (p.z)/(60.a) = (3.360)/(60.3) = 6 E = ke.? .n = 6.0.04.1000 = 240 V

(6) (5)

2. Een geleider van 30 cm lang bevindt zich over de hele lengte in een uniform magnetisch veld met een inductie van 1 T. We bewegen de geleider loodrecht op de veldlijnen met een snelheid van 6 m/s. Hoe groo t is de gegenereerde ems in de geleider ? Oplossing e = B.l.v.sin a = 1.0,3.6 .sin 9O = 1.8 V

(1)

3. We plaatsen een solenoïde van 20 cm lang met 300 windingen en 3 cm diameter in een homogeen magnetisch veld met een veldsterkte van 12 kA/m in de lucht. Het magnetisch veld, door de spoel omsloten, wordt tot nul gebracht in 0.05 s. Bereken de gemiddelde waarde van de gegenereerde ems.


Oplossing

B = µ.H = µ 0 . µr. H = 4.? .l0-7.1.12000 = 0.0151 T A = ? .r² = 3.14 . 0.03² = 0.00283 m² ? = B.A = 0.0151 . 0.00283 = 10.6 µ Wb Egem = N.(d? / dt) = 300.(10.6/50) = 64 mV

(2)

4. Van een gelijkstroomgenerator met onafhankelijke bekrachtiging is de ankerweerstand 0.08 ohm en de weerstand van de hulpwikkeling 0.07 ohm. Het nuttig vermogen door de generator afgeleverd in een verbruiker van 12.22 ohm is 396 W. Bereken de gegenereerde ems in de ankerwikkeling en bepaal de waarde van het elektrisch rendement. Oplossing I = (P/R) 1/2 = (3960/12.22) 1/2 = 18 A U = P/I = 3960/18 = 220 V E = U + I.(Ra + Rh) = 22~ + 18.(0 .08 + 0.07) = 222.7 V

(11)

?e = U/E = 220/222.7 = 0.987

(26)

1.21 Toepassingen 1. De ankerwikkeling van een vierpolige generator heeft in totaal 800 werkzame geleiders. Er zijn 4 ankertakken en de flux per pool is 0.025 Wb. Welke spanning zal de ankerwikkeling genereren als de rotatiesnelheid 1500 tr/min is ? 2. Een vierpolige generator bevat 1000 windingen, 4 ankertakken en draait tegen een snelheid van 1200 tr/min. De flux per pool is 0.015 Wb. De stroomsterkte in de belasting bedraagt 8 A. De gemiddelde lengte van de gebruikte wikkeldraad is 0.9 m/winding en de doorsnede is 0.3 mm². Bereken de gegenereerde ems, de klemspanning en de grootte van het tegenwerkend koppel. 3. Een ankerwikkeling van een generator bezit 80 wikkelspoelen met elk 5 windingen. De gemiddelde lengte/winding is 70 cm en de doorsnede van de wikkeldraad is 5 mm². Bereken de weerstand van de volledige ankerwikkeling. (soortelijke weerstand van koper: 0.0175.10-6 Ohm)

4. Een generator met een ankerweerstand van 0.3 ohm levert een stroom van 42 A bij een klemspanning van 110 V. Bereken de gegenereerde ems in de ankerwikkeling. 5. Het anker van een generator heeft vier ankertakken. De machine is vierpolig en de flux per pool is 40 mWb. Hoeveel werkzame geleiders bevat het anker in elke tak, als men weet dat de snelheid 1500 tr/min en de ems in de ankerwikkeling 1 kV bedraagt ? 25 Theorie Gelijkstroomgeneratoren

1.22 Herhalingstaken 1. Een vierpolige gelijkstroomshuntgenerator is in het anker voorzien van 32 0 werkzame geleiders. De oppervlakte van de poolschoenen is 200 c m². De inductie in de luchtspleet bedraagt 0.8 T. Bereken de gegenereerde ems bij een snelheid van 1500 tr/min als er 2 ankertakken zijn. 2. De ankerwikkeling van een vierpolige generator bevat in totaal 8 wikkelspoelen met elk 50 windingen. De lengte van de werkzame geleiders is 20 cm en de poolboog 12.5 cm. Welke ems zal de ankerwikkeling genereren bij een rotatiesnelheid van 1200 tr/min, als men weet dat er 4 ankertakken zijn en de inductie 1 T bedraagt ? 3. Hoe groo t moet de belastingsweerstand zijn van een generator die een ems van 250 V genereert en een ankerweerstand van 0.2 ohm heeft ? De stroomsterkte in de belasting is 20 A. Bereken de klemspanning. 4. Een generator levert bij een klemspanning van 150 V een stroomsterkte van 30 A in de belasting. De aandrijfmotor heeft een rotatiesnelheid van 1000 tr/min en ontwikkelt een nuttig koppel van 40 Nm. Hoe groo t is het rendement van de generator? 5. Een shuntgenerator levert 40 A in een belasting van 5.5 ohm. De weerstand van de veldwikkeling is 100 ohm. De weerstand van de ankerwikkeling is 0.08 ohm en van de hulpwikkeling 0.12 ohm Bereken de klemspanning, de ems, de veldstroom, en het nuttig vermogen. 6. Een compoundgenerator met korte shunt levert een nuttig vermogen af van 4.2 kW bij een belastingsstroom van 20 A. De ankerweersta nd is 0.25 ohm, de weerstand van de hulpwikkeling 0.15 ohm, de weerstand van de seriewikkeling 0.1 ohm en van de shuntwikkeling 212 ohm. De ijzer- en wrijvingsverliezen samen bedragen 600 W. Bereken de klemspanning, de ems, het toegevoerd mechanisch vermog en, het totaal rendement en het elektrisch rendement.


GELIJKSTROOMGENERATOREN e = B.l. v. s i n α

(1)

aanta l g eleiders = π .d .n 60 2. p.φ. n E1 = 60 p.z ke = 60.a

z 2.a

v=

N .I φ= m m ℜm Ik =

E Ra + Rh

η=

Pn Pt

δφ δt E1 = B.l.v

α = ω .t

e = −N

E1 =

Etak

φ .l π. .d .n 60. S p.z .φ.n = 60. a

Tt = km .φ .I a

Lm =

Nm2 ℜm

E = ke.φ .n

km =

p.z 2.n.a

U = E − I a .( Ra + Rh )

Pn = U .I

Pt = T .ω


φ S π .d .l S= 2. p B=

R

Recommend Documents