Synchrone wisselstroom en draaistroom generatoren.

Werking van de wisselstroom generator

De werking van een wisselstroom generator lijkt op de werking van een gelijkstroomdynamo, met als verschil dat de opgewekte spanning niet via een koolborstel en commutator wordt afgenomen, maar via sleepringen.
De rotor wordt aangedreven en de windingen op de rotor bewegen zich door een magnetisch veld dat door de veld-bekrachtigingsspoelen opgewekt wordt.
Hier door wordt er in de rotorwikkeling een spanning (EMK) opgewekt. Als de rotor 180 gedraaid is zal de opgewekte spanning van richting (=polariteit) veranderen.
Op de kontakten van de sleepringen ontstaat nu een sinusvormige enkelfase wisselspanning.

Tot zo ver het principe van een wisselstroom generator.

In de praktijk worden wisselstroom generatoren zoals hierboven beschreven zelden gebruikt.
Generatoren waarvan de opgewekte spanning (door sleepringen) van de Rotorwikkelingen wordt afgenomen en waarvan de bekrachtigings-polen op de Stator zijn aangebracht heten Buitenpool generatoren. Zij worden alleen toegepast voor kleine vermogens.

De grotere generatoren zijn meestal van het Binnenpool type, en wekken de wisselspanning in drie-fase spanning op.

Drie-fase of draaistroom generatoren

Bij de drie-fase of draaistroom generatoren komen we aan bij "de echte grote jongens" onder de electrische machines. We spreken van dynamo's die een vermogen van meer dan 600 Mega-Watt kunnen opwekken.
Draaistroom generatoren zijn de machines die in de diverse electriciteitscentrales de electriciteit voor ons lichtnet opwekken.
Door dat er bij draaistroom generatoren sprake is van zeer hoge spanningen (15000 en 24000 volt !) en ook hele grote stromen (6000 tot 25000 Ampère !) kan deze electriciteit niet meer via sleepringen van de rotor afgenomen worden. In plaats hier van wordt de opgewekte spanning van de stator afgenomen, en het machnetisch veld opgewekt in bekrachtigingswikkelingen die op de rotor aangebracht zijn.
Het magnetisch veld draait dus aan de binnenkant van de stator rond en wekt zodoende wisselspanning in de statorwikkelingen op.
De veldwikkelingen op de rotor worden bekrachtigd door een gelijkstroom dynamo waarvan de + en - polen via sleepringen naar de veldwikkelingen verbonden zijn.
Dit soort generatoren worden Binnenpool generatoren genoemd.
Drie fase, of draaistroom
 De in een electrische centrale opgewekte electrische energie wordt in drie fase's op het net aangeleverd. De drie fase's hebben allen dezelfde sinusvormige wisselspanning, maar zijn onderling 120 graden in fase ten opzichte van elkaar verschoven. Dit komt omdat er drie onafhankelijke spoelen op de stator van de turbo-generator, waar de electriciteit in wordt opgewekt, gelijkmatig over de omtrek verdeeld aangebracht zijn.
De spoelen in de stator zijn, aan één zijde, met elkaar verbonden. Dit centrale punt wordt het ster-punt genoemd. De opgewekte electrische spanning kan nu in iedere wikkeling t.o.v. het sterpunt, of tussen de fase aansluitingen onderling beschouwd worden. De spanning t.o.v. het sterpunt heet de lijn-spanning en de spanning tussen twee fase's onderling heet de fase-spanning.
De verhouding tussen Lijn , en Fase spanning is 2xSIN(120(graden)) oftewel Wortel(3) = 1,73205.
Voor het transport van de electriciteit via grote hoogspanningsmasten worden alleen de drie Fase-draden gebruikt en is er geen draad voor het Ster-punt. Als aan de andere kant, in een transformator, de spanning weer omlaag gebracht wordt kan hier weer een nieuw virtueel Ster-punt gecreërd worden.

Als deze drie fase's op drie spoelen van een asynchrone motor wordt aangeboden zal dit daar een draaiend magnetisch veld opwekken. Vandaar ook de naam Draaistroom.
De frequentie van de wisselspanning is in Europa 50 Hz. Dit houdt in dat de spanning 50 maal per seconde positief en negatief is geweest. Er zitten 60 seconden in een minuut, waardoor je makkelijk kunt berekenen dat de dynamo voor deze 50 Hz dus (bij een één polige machine) op een toerental van 3000 rpm rond moet draaien.

Bekrachtiging van een draaistroom generator.

Bekrachtiging door een bekrachtigings-dynamo( van shunt type.)
De veldwikkeling van de draaistroom-generator wordt van stroom voorzien door een gelijksspannings-generator van het Shunt type. De, door de shunt-dynamo opgewekte, gelijkspanning wordt via sleepringen naar de veldwikkelingen op de rotor van de draaistroom-generator aangeleverd.
De Shunt dynamo wordt meestal op dezelfde (Turbine-aangedreven) as als die van de turbo-generator aangesloten. De uitgangsspanning van de draaistroom generator kan met de voorschakelweerstand (Rv) van de bekrachtigings-dynamo worden geregeld.

Bekrachtiging door een hoofddynamo welke op zijn beurt door een hulpdynamo (van shunt type) bekrachtigd wordt.
Voor grotere generatoren wordt de volgende schakeling gebruikt:
De veldwikkeling van de draaistroom-generator wordt van stroom voorzien door een gelijksspannings-generator met afzonderlijke bekrachtiging. Dit is de z.g.n. hoofddynamo. De veld bekrachtiging van deze hoofddynamo wordt op zijn beurt weer opgewekt door een z.g.n. hulpdynamo van het Shunt type. De Hoofd, en Hulp-dynamo worden meestal op dezelfde (aangedreven) as als die van de turbo-generator aangesloten.
De uitgangsspanning kan worden geregeld door met weerstand Rv de stroom door de (afzonderlijke)bekrachtigings wikkelingen op de stator van de hoofddynamo in te stellen.

Bekrachtiging met Hoofddynamo die bekrachtigd wordt door een Amplidyne, welke weer door een shunt-dynamo wordt bekrachtigd.
Voor nog grotere (turbo)generatoren wordt de volgende schakeling gebruikt:
De veldwikkeling van de draaistroom-generator wordt van stroom voorzien door een gelijksspannings-generator met afzonderlijke bekrachtiging. Dit is de z.g.n. hoofddynamo. De veld bekrachtiging van deze hoofddynamo wordt op zijn beurt weer opgewekt door een Amplidyne waarvan de stuurwikkelingen weer worden bekrachtigd door een hulpdynamo van het Shunt type.
De uitgangsspanning van de Turbo-generator wordt, in deze schakeling, geregeld door de voorschakelweerstand Rv die in het circuit van één van de stuurwikkelingen (St2) van de Amplidyne is opgenomen.
In het plaatje is de spanningsregeling hier met een Tirril-regelaar uitgevoerd.
Bekrachtiging door een driefase-wisselstroom generator met siliciumdiode gelijkrichter.
Om van de kwetsbare commutator en koolborstels van een gelijkstroom-dynamo af te zijn wordt in moderne configuraties gebruik gemaakt van een Drie-fase wisselstroom generator in plaats van de gelijkstroom bekrachtigings dynamo. De (drie-fase) wisselspanning wordt door een gelijkrichter met silicium diodes omgezet naar een gelijkspanning die dan via de sleepringen van de turbo-generator als veldbekrachtiging voor de eind-dynamo wordt aangeboden.

Er bestaat ook nog een variant met een drie-fase wisselstroom generator met de veldspanning op de stator waar de opgewekte wisselspanning van de rotor wordt afgenomen (buitenpool principe). De gelijkrichter-diodes zijn hier bij op de rotor geplaatst, zodat de gelijkspanning direct, zonder sleepringen, op de rotor van de eind-generator aangesloten kan worden.
Deze constructie heet: Rotaduct en werd door de firma AEG in duitsland gemaakt.

In beide gevallen kan de uitgangsspanning van de generator op een indirecte wijze beïnvloed worden door de veldbekrachtigingsstroom van de wisselstroom-dynamo te regelen.

Spannings regeling van een drie-fase generator.
Tirril-regelaar
De Tirril regelaar is, als ik zo beschouw hoe het werkt, wel echt iets uit de "oude doos". Het werkt met een kontakt dat de hele tijd ongeveer 7 keer per seconde opent en sluit. Je zou zeggen dat dit na een bepaalde tijd altijd kapot zou gaan, maar blijkbaar werden er in die tijd mechanisch heel betrouwbare apparaten gemaakt.
Ik zal uitleggen hoe het werkt:

De Tirril spanningsregelaar werkt met een schakelkontakt (K) dat uit twee (1 en 2) bewegende hefboomachtige kontakten is opgebouwd. Het schakelkontakt staat parrallel aangesloten op de voorschakelweerstand (Rv) die in de bekrachtigingskring van een Hoofd-, of Hulpdynamo is opgenomen en zal in gesloten toestand de weerstand overbruggen.
Als de schakelaar gesloten is zal de (shunt)generator de maximale uitgangsspanning willen bereiken. Als de schakelaar open staat is de voorschakelweerstand actief en zal de generator een minimum uitgangsspanning willen bereiken. Als de klemspanning van de shuntgenerator stijgt of daalt zal ook de veldbekrachtiginsstroom in de rotor van de drie-fase generator stijgen/dalen en daar door ook de uitgangspanning van deze generator beïnvloeden.

Telkens als de uitgangsspanning van de shunt-generator stijgt zal de stroom door spoel Sp1 toenemen en zal magneet A1 (tegen de veerkracht in) naar beneden getrokken worden. Hier door opent de schakelaar (K) en zal de uitgangsspanning van de shunt-dynamo weer willen dalen naar de minimum waarde. Doordat deze spannning gaat dalen neemt de stroom door spoel Sp1 af en zal magneet A1,(met de veerkracht mee) weer omhoog gaan. De schakelaar sluit weer en het hele proces begint opnieuw. De uitgangsspanning van de shunt-dynamo wisselt dus heel snel steeds rond een gemiddelde waarde.

De hoogte van deze gemiddelde waarde wordt geregeld door het tweede deel van de Tirril-regelaar, en wel als volgt:
De uitgangsspanning van de wisselstroomgenerator wordt met een transformator(Tr) teruggeleid naar magnetische spoel Sp2.
Als nu de spanning van de drie-fase generator (door een hogere belasting in het net) afneemt, zal ook de stroom door spoel Sp2 minder worden. Hierdoor zal magneet A2 door de veer verder naar beneden getrokken worden en stijgt kontakt K2. Daardoor zal de schakelaar tijdelijk korter open dan dicht staan waardoor de gemiddelde waarde van de spanning zal stijgen.
Andersom werkt het net zo:
Als de spanning op de uitgang van de wisselstroom-dynamo stijgt zal de stroom door spoel Sp2 groter worden. hierdoor zal magneet A2 omhoog komen en daalt kontakt K2 waardoor de schakelaar tijdelijk langer open dan dicht staat. Hierdoor daalt de gemiddelde waarde van de spanning.
Om het ontstaan van grote momentale veranderingen in de geleverde spanning te voorkomen is voorzien in een olie-demping onder magneet A2.
Met de waarde van weerstand R in de Tirril regelaar kan tenslotte de gewenste generatorspanning ingesteld worden.

Walsregelaar
Spanningsregelaars met een transductor.
Synchrone generator met Compoundregelaar
Generator met zelfbekrachtiging
Electronische spanningsregelaar

Eén-fase wisselstroom generatoren.

Eén fase generatoren worden niet zo veel toegepast, behalve voor het opwekken van wisselspanningen van hoge frequenties (400 - 15000 Hz) Dit wordt in de metaal industrie gebruikt voor het voeden van Inductie smelt ovens.

Een andere heel bekende één-fase generator is de fietsdynamo.
De rotor bevat een permanente magneet met vier Noord-Zuid polenparen. De opgewekte wisselspanning (3 Watt !) wordt van de stator (zie foto) afgenomen.

Toepassing