Wat zijn zelfopgewekte gelijkstroomgeneratoren?

Wat zijn zelfopgewekte DC-generatoren?

Zelfopgewekte DC-generator

Een moderne DC-generator met een opwekkingsspoel is een zelfopgewekte generator, die begint met de initiële stroom in de opwekkingsspoel. Wanneer de generator uitgeschakeld wordt, wordt er een kleine magnetische kracht in het rotorijzer opgewekt, wat een elektromotieve kracht in de armatuur induceert en daardoor een stroom in de veldwindingen genereert. Aanvankelijk produceert het zwakke magnetische veld een kleine stroom in de spoel, maar om de zelfopwekking te handhaven, neemt de aanvullende magnetische flux toe, waardoor de elektromotieve kracht in de rotor constant toeneemt totdat de machine volledig belast is.

Werking

Er blijft een klein beetje magnetisme in het rotorijzer bewaard. Dit resterende magnetisch veld in de hoofdpool induceert een elektromotieve kracht in de statorspoel, wat een initiële stroom in de veldwinding genereert.

De kleine stroom die door de spoel loopt versterkt het magnetisch veld. Hierdoor nemen de spanning en de veldstroom toe. Deze cyclus gaat door totdat de elektromotieve kracht in de armatuur de spanningsval aan beide einden van de opwekkingswinding overtreft. Echter, na het bereiken van een bepaald niveau, wordt de veldpool verzadigd, waarop elektrisch evenwicht wordt bereikt, de elektromotieve kracht in de armatuur niet langer toeneemt, en de stroom niet meer toeneemt. De weerstand van de opwekkingswinding heeft een bepaalde vaste waarde, waarmee de zelfopwekking kan worden gerealiseerd. Deze weerstandswaarde kan variëren afhankelijk van de elektrische parameters van de generator.

Type DC-generator

DC-generatoren worden voornamelijk ingedeeld in serie-wikkeling, parallel-wikkeling en gemengde wikkeling, elk met verschillende spoelindeling en spanningregelingskenmerken.

Seriegekoppelde generatoren

Bij seriegekoppelde generatoren zijn de veld- en armatuurwikkeling in serie verbonden, waardoor stroom door zowel het externe circuit als de windingen stroomt. De veldspoel heeft een lage weerstand en bestaat uit enkele windingen van dik draad, wat de stroomtoevoer doet toenemen wanneer de belastingsweerstand afneemt.

Hierdoor neemt het magnetisch veld en de uitgangsspanning in het circuit toe. Bij dit type generator varieert de uitgangsspanning direct met betrekking tot de belastingstroom, wat bij de meeste toepassingen niet gewenst is. Om deze reden worden dergelijke generatoren zelden gebruikt.

Parallelgekoppelde DC-generatoren

Bij parallelgekoppelde generatoren is de veldwikkeling parallel aan de armatuur verbonden, waardoor de spanning in het circuit consistent blijft. De veldwikkeling heeft veel windingen om een hoge weerstand te bereiken, waardoor de stroom die erdoorheen gaat beperkt wordt en de rest naar de belasting wordt gestuurd.

Bij parallelgekoppelde generatoren, aangezien ze parallel zijn verbonden, zijn de stromen in de parallelle takken onafhankelijk van elkaar. Daarom is de uitgangsspanning bijna constant en als hij varieert, dan varieert hij omgekeerd evenredig met de belastingstroom. Dit komt door de spanningdaling als de armatuurweerstand toeneemt. 

Gemengd gekoppelde generator

De gemengd gekoppelde generator is een geavanceerde versie van de seriegekoppelde en parallelgekoppelde generator. Het werkingsprincipe van de generator is een combinatie van twee types, zodat de nadelen van beide worden weggewerkt. Het heeft beide types windingen: serieveld en parallelveldwinding. Op basis van hun verbinding zijn gemengd gekoppelde generatoren van twee types: kort parallel gemengde generator en lang parallel gemengde generator.

 Lang parallel gemengde generator

Hierbij is de parallelveldwinding alleen parallel aan de armatuur verbonden, zoals in de figuur getoond. De serie wikkeling is vervolgens in serie verbonden.

 Kort parallel gemengde generator

Hierbij is de parallelveldwinding alleen parallel aan de armatuur verbonden, zoals in de figuur getoond. De serie wikkeling is vervolgens in serie verbonden.

Voordelen van gemengde DC-generator

Bij een gemengde generator neemt de armatuurspanning automatisch af wanneer de belastingstroom toeneemt, waardoor het magnetisch veld dat door de parallelveldwinding wordt geproduceerd afneemt. Maar dezelfde toename van de belastingstroom die door de serie wikkeling stroomt, veroorzaakt een toename van het magnetisch veld. Dus de afname van het magnetisch veld in het parallelveld wordt gecompenseerd door de toename van het magnetisch veld in het serieveld. Op deze manier blijft de uitgangsspanning constant, zoals in de figuur getoond.

 Commutatieve en differentiële gemengde DC-generator

Aangezien de gemengde generator zowel het parallelveld als het serieveld heeft, maakt hun combinatie veel verschil. Wanneer het serieveld het parallelveld ondersteunt, is hun impact groter en wordt het gezegd dat het commutatief gemengd is. Aan de andere kant, als het serieveld het parallelveld tegenwerkt, is hun impact kleiner en wordt het gezegd dat het een differentiële gemengde generator is.