Wisselstroomgenerator: Inleiding
Synchrone wisselstroom (AC) generatoren zijn het meest voorkomende type generator dat wordt gebruikt voor elektrische energieopwekking in de energietechniek. Meer dan 95% van alle elektrische energie die vandaag de dag wordt verbruikt, wordt geproduceerd door driefase (3~) wisselstroomgeneratoren. Het werkingsprincipe van alle AC-generatoren is gebaseerd op Faraday's wet van elektromagnetische inductie.
Dieselmotor verbonden met een AC-generator
Faraday's Wet
Twee fysische wetten bepalen hoe bijna de hele elektrotechnische industrie werkt.
- Faraday's Wet – een veranderend magnetisch veld zal een spanning opwekken in elke geleider binnen dat veld.
- Wet van Ampère – elektrische stroom die door een geleider vloeit, creëert een magnetisch veld rondom die geleider.
Wet van Ampère - Magnetische velden gecreëerd rondom geleiders door stroom
Geniet je van dit artikel? Bekijk dan zeker onze Engineering Video Cursussen! Elke cursus bevat een quiz, een handboek, en je ontvangt een certificaat bij voltooiing van de cursus. Veel plezier!
Conventionele en Werkelijke Stroomrichting (Gatenstroom)
Wanneer stroom (gemeten in Amperes) door een geleider vloeit, wordt er een magnetisch veld rondom die geleider gecreëerd. De richting van het magnetische veld hangt af van de stroomrichting.
Rechterhandregel
De rechterhandregel toont de richting van het magnetische veld op basis van conventionele stroomrichting (positief naar negatief). De rechterhandregel wordt zo genoemd omdat als een hand een geleider omklemt, de duim de stroomrichting aangeeft terwijl de vingers die de geleider omklemmen, de richting van het magnetische veld aangeven.
Rechterhandregel
Linkerhandregel
De linkerhandregel toont de richting van het magnetische veld op basis van werkelijke stroomrichting (negatief naar positief). De meeste elektrische industrieën gebruiken conventionele stroomrichting terwijl elektronische industrieën de voorkeur geven aan werkelijke stroomrichting (ook bekend als ‘gatenstroom’). Voor de meeste toepassingen is de stroomrichting niet belangrijk, dus de historische fout die werd gemaakt door aan te nemen dat stroom van positief naar negatief vloeit, werd nooit gecorrigeerd.
Belangrijk – De meeste publicaties gebruiken de RECHTERHANDREGEL. Ga uit van conventionele stroomrichting tenzij anders vermeld.
Linkerhandregel
Fleming's Linkerhandregel
Het is nuttig om op de hoogte te zijn van een andere linkerhandregel die veel vaker wordt gebruikt dan de eerder genoemde linkerhandregel; deze linkerhandregel wordt ‘Fleming's linkerhandregel’ genoemd.
Fleming's linkerhandregel wordt gebruikt om de kracht te bepalen die wordt uitgeoefend op een geladen (elektrisch geladen) geleider wanneer deze zich in een magnetisch veld bevindt. Fleming's linkerhandregel wordt vaak gebruikt om de draairichting van elektromotoren te bepalen.
Fleming's Linkerhandregel
Faraday's Wet
Faraday's wet zal nu in meer detail worden besproken omdat het direct gerelateerd is aan hoe elektriciteit wordt opgewekt (Wet van Ampère zal later worden besproken).
Faraday's wet stelt dat als een geleider door een magnetisch veld beweegt, een spanning (elektrisch potentiaalverschil) zal worden opgewekt in die geleider. Evenzo zal een spanning worden opgewekt in een stationaire geleider als deze zich binnen een veranderend magnetisch veld bevindt. Er zal geen spanning worden opgewekt als het magnetische veld statisch is (niet veranderend).
Magneet met magnetische veldlijnen
Merk op dat Faraday's wet ook wordt aangeduid als ‘Faraday's wet van elektromagnetische inductie’. De termen ‘magnetische inductie’ en ‘elektromagnetische inductie’ hebben dezelfde betekenis en worden door elkaar gebruikt.
Magnetische Velden
Magnetische velden worden weergegeven door een reeks lijnen te tekenen die zich uitstrekken van het ene uiteinde van een magneet naar het andere.
- Sterkere magnetische velden worden weergegeven door dicht opeengepakte magnetische veldlijnen.
- Zwakker magnetische velden zijn verder van elkaar verwijderd.
De veldsterkte van een magneet is evenredig met de afstand tot de magneet, d.w.z. de veldsterkte is sterker dichter bij de magneet en wordt zwakker naarmate de afstand tot de magneet toeneemt.
Geleiders
Een geleider is elke stof die stroom doorlaat (elektronen laat stromen). Sommige geleiders hebben betere geleidings (vermogen om stroom te geleiden) eigenschappen dan andere. In de elektrotechniek zijn koper en aluminium populaire geleiders omdat ze een hoge geleidbaarheid hebben.
Koperdraad (Koperen geleiderstrengen)
Hoe AC Generatoren Werken
Faraday's wet stelt dat een spanning wordt opgewekt in elke geleider die zich binnen een veranderend magnetisch veld bevindt; dit proces van inductie staat bekend als ‘elektromagnetische inductie’. Om wisselstroom (AC) spanning op te wekken, moeten we daarom ofwel:
- Constant een geleider door een stationair magnetisch veld bewegen.
- Constant een magnetisch veld over een stationaire geleider bewegen.
Grote energieopwekkingsfaciliteiten produceren elektriciteit met de optie ‘constant een magnetisch veld over een stationaire geleider bewegen’. Energiecentrales zijn geen eenvoudige constructies, maar de fundamentele principes van hoe elektriciteit wordt opgewekt door meer dan 95% van de energiecentrales, worden hieronder getoond.
Geleider die door een stationair magnetisch veld beweegt
Merk op dat de bovenstaande afbeelding een roterende geleider toont, maar energiecentrales hebben stationaire geleiders en roterende magneten (omgekeerde opstelling zoals op de afbeelding).
Om energie op te wekken, is een magneet nodig en een manier om die magneet continu te bewegen zodat het magnetische veld constant verandert. Het is mogelijk om de magneet heen en weer lineair (in een rechte lijn) te bewegen, maar dit zou enigszins onpraktisch en inefficiënt zijn. De meest economische manier om magnetische veldlijnen constant te laten bewegen, is door de magneet te roteren/draaien. Dit kan eenvoudig worden bereikt door de magneet aan een machine te koppelen waarvan de output draaiende beweging is. Bijvoorbeeld, door een uitgaande as aan de onderstaande machines te bevestigen en vervolgens een magneet aan de uitgaande as te koppelen, kunnen we de draaiende beweging (mechanische energie) van de machine overbrengen naar de magneet:
- Dieselmotor.
- Stoomturbine.
- Verbrandingsturbine.
- Waterkracht-turbine (Kaplan, Francis, Pelton).
- Windturbine.
In de echte wereld worden de bovenstaande machines ‘primaire aandrijvingen’ genoemd omdat ze de mechanische energie overbrengen die een generator nodig heeft om elektrische energie te produceren. Het is belangrijk om te realiseren dat ‘generatoren’ geen elektrische energie ‘genereren’. Het is alleen mogelijk om energie van de ene vorm naar de andere over te brengen.
Energie kan niet worden vernietigd of gecreëerd/gegenereerd (Eerste Wet van de Thermodynamica)
Primaire aandrijvingen brengen mechanische energie over naar generatoren via een as en/of versnellingsbak. Generatoren zetten mechanische energie om in elektrische energie.
Basisvoorbeeld van Energieopwekking
De onderstaande video is een fragment uit onze Mechanische en Elektrotechnische Engineering Uitgelegd Online Videocursus.
Om een primaire aandrijving te simuleren, kunnen we een magneet fysiek bevestigen aan de uitgaande as van een waterrad (waterkracht-turbine). Water stroomt over het waterrad waardoor het gaat draaien en bijgevolg de magneet draait. Als de watertoevoer continu is, draait het waterrad continu, net als de magneet. Nu er een manier is gevonden om het magnetische veld continu te veranderen, moet er een geleider binnen het veranderende magnetische veld worden geplaatst zodat er een spanning kan worden opgewekt.
Basis AC Energieopwekkingsopstelling
Het plaatsen van een enkele geleider binnen het magnetische veld zou niet veel spanning in die geleider opwekken, maar als de geleider in de vorm van een spoel wordt gewikkeld, is het mogelijk om veel meer spanning op te wekken. Om de spanningsinductie nog efficiënter te maken, kan de geleider zo dicht mogelijk bij de magneet worden geïnstalleerd. Bovendien zal het toevoegen van meer wikkelingen aan de spoel meer spanning opwekken, terwijl het verwijderen van wikkelingen uit de spoel minder spanning zal opwekken.
Wanneer de magneet draait en een geleider binnen het magnetische veld is geplaatst, zal er spanning in de geleider worden opgewekt. Als de geleider is aangesloten op een gesloten elektrisch circuit, zal er wisselstroom vloeien. Elektriciteit kan nu worden geleverd/gedistribueerd aan consumenten voor gebruik!
Basis AC Energieopwekkingsvoorbeeld
Generator Rotor
Industriële generatoren vertrouwen op meer gecompliceerde componenten dan eenvoudige magneten en spoelen, maar de werkingsprincipes van energieopwekking blijven hetzelfde. De roterende magneet van een generator wordt een ‘rotor’ genoemd, terwijl de spoel een ‘stator’ wordt genoemd. Het is mogelijk dat de stator als magneet fungeert en de rotor als spoel, maar deze opstelling zal op dit moment niet worden besproken.
Een rotor bestaat normaal gesproken uit een reeks magneten die zijn gemonteerd op een gelamineerde kern van dunne stalen platen; de dunne stalen gelamineerde platen worden ‘lamineringen’ genoemd. Lamineringen beïnvloeden de vorm van het magnetische veld omdat staal ijzer bevat, dat magnetisch is (in staat om als magneet te fungeren of door een magneet te worden aangetrokken). Bovendien focussen lamineringen het magnetische veld zodat zoveel mogelijk magnetische lijnen de geleider kruisen. Het focussen van het magnetische veld verbetert de efficiëntie van een generator omdat de spanning die in een geleider wordt opgewekt toeneemt naarmate het aantal magnetische veldlijnen dat de geleider kruist toeneemt.
Voor toepassingen in de echte wereld zou het basisvoorbeeld van ‘een magneet die in de buurt van een spoel draait’ zoals eerder beschreven, ons niet in staat stellen om aan de elektriciteitsbehoeften van onze beschaving te voldoen. Permanente magneten zijn niet praktisch om mee te werken (moeilijk te transporteren, vormen veiligheidsrisico's, enz.) en zijn duur. Er is een alternatief type magneet nodig, en aan deze behoefte wordt voldaan door elektromagneten.
Tip: Een permanente magneet is er een waarvan de Noord- en Zuidpolen vast zijn en niet veranderen. Permanente magneten worden ook wel ‘ferromagneten’ genoemd.
Permanente Magneten
Wat is de Wet van Ampère?
Voordat we elektromagneten bespreken, is het noodzakelijk om de Wet van Ampère te begrijpen.
De Wet van Ampère stelt dat elektrische stroom die door een geleider vloeit, een magnetisch veld rondom die geleider creëert. De sterkte van het magnetische veld dat wordt gecreëerd, is evenredig met de hoeveelheid stroom die vloeit. Gelijkstroom vloeit in één richting en de resulterende grootte van het magnetische veld en polariteit zijn constant. Wisselstroom vloeit in twee richtingen en de resultaten zijn:
- De grootte van het magnetische veld neemt toe en af.
- De sterkte van het magnetische veld neemt toe en af.
- De polariteit van het magnetische veld keert om (Noord naar Zuid en dan Zuid naar Noord).
Bovenstaande resultaten treden op in sync met de veranderende richting van de elektrische stroom. Een sinusgolf wordt gebruikt om de sterkte van het magnetische veld in de tijd en zijn polariteit aan te geven (Noord is positief, Zuid is negatief).
Sinusgolf die in de tijd verandert
Wat is polariteit?
Permanente magneten hebben een Noord en Zuid pool. Als de Zuid- en Noordpolen van de magneet hun posities omdraaien (zodat Noord Zuid wordt en Zuid Noord wordt), wordt gezegd dat de polariteit ‘omgekeerd’ is.
Elektromagneten
Zoals eerder vermeld, stelt de Wet van Ampère dat ‘elektrische stroom die door een geleider vloeit, een magnetisch veld rondom die geleider creëert’.
Als gelijkstroom (DC) door een geleider vloeit, zal het magnetische veld constant zijn.
Als wisselstroom (AC) door een geleider vloeit, zal het magnetische veld variëren (uitzetten en samentrekken).
De sterkte van een magnetisch veld rondom een geleider is evenredig met de hoeveelheid stroom die door de geleider vloeit.
Het is mogelijk om een gefocust magnetisch veld te creëren door een geleider in de vorm van een spoel te wikkelen. Als er stroom door de spoel vloeit, wordt er effectief een Noord- en Zuidpool aan elk uiteinde van de spoel gecreëerd.
Magnetisch veld door stroom die door een spoel vloeit
Een elektromagneet wordt gecreëerd wanneer er stroom door een spoel vloeit en er een resulterende Noord- en Zuidpool ontstaat. Merk op dat de positie van Noord en Zuid kan worden omgekeerd door de stroomrichting om te keren. Gelijkstroom zou een vaste Noord- en Zuidpool creëren omdat de stroom in één richting vloeit. Wisselstroom zou variërende Noord- en Zuidpolen creëren omdat de stroom in twee richtingen vloeit (heen en weer).
Als er spoelen op een generatorrotor worden geïnstalleerd, is het mogelijk om een elektrische stroom op deze spoelen aan te brengen om een elektromagneet te creëren. Het installeren van meerdere spoelen op de rotor maakt het mogelijk om meerdere Noord- en Zuidpolen te creëren. Het creëren van het magnetische veld van een generator met behulp van elektromagneten heeft verschillende significante voordelen vergeleken met het gebruik van permanente magneten:
- Het regelen van de stroom die naar de elektromagneet/elektromagneten wordt gevoerd, maakt het mogelijk om de sterkte van het magnetische veld te regelen, waardoor het mogelijk is om te regelen hoeveel spanning wordt opgewekt in de statorwikkelingen (geleiderspoelen).
- Het variëren van het aantal spoelen dat door een elektromagneet wordt gebruikt, bepaalt de potentiële magnetische veldsterkte die een elektromagneet kan creëren; dit is een belangrijke en nuttige eigenschap tijdens het ontwerpproces.
- Spoelmaterialen zijn over het algemeen veel gemakkelijker te verkrijgen, te onderhouden, en/of te vervangen dan grote permanente magneten.
- Elektromagneten zijn goedkoper in vergelijking met grote permanente magneten.
- Elektromagneten zijn gemakkelijker te hanteren dan grote permanente magneten.
Wat zijn ‘generatorrotorpolen’?
Generatorrotoren worden soms aangeduid als ‘2-polig’, of, ‘4-polig’ enz. De ‘polen’ verwijzen naar de Noord- of Zuidpool van een magneet. Een 2-polige rotor heeft één Zuid- en één Noordpool. Een 4-polige rotor heeft twee Noord- en twee Zuidpolen enz.
Elektrische Generator Stator
De geleiderspoelen rondom een rotor worden gezamenlijk een ‘stator’ genoemd. Het omringen van de rotor met een spoel, of een reeks spoelen, zorgt ervoor dat de magnetische veldlijnen die door de rotor worden geproduceerd, een groot gebied van de spoel(en) kruisen, wat meer opgewekte spanning oplevert.
Een stator met een enkele spoel zou eenfasige (1~) spanning opwekken. Het installeren van meer spoelen produceert extra fasen. Een ‘fase’ is het spanningspotentiaal dat wordt gemeten over een enkele geleider. Het opwekken van spanning in 3 afzonderlijke spoelen op exact hetzelfde moment zou niet praktisch zijn omdat het elektrische systeem sterk zou schommelen tussen positieve en negatieve spanning, en het niet mogelijk zou zijn om de spoelen precies op dezelfde fysieke ruimte te installeren. Het installeren van drie spoelen 120 graden uit elkaar maakt het mogelijk om spanning op te wekken in drie afzonderlijke spoelen op een meer gebalanceerde manier. Energiecentrales produceren driefasige AC-spanning.
Driefasige AC-spanning
Elektrisch Vermogen (P=VI)
Elektrisch vermogen wordt weergegeven door de vergelijking:
P = V I
Vermogen = Spanning x Stroom
Uit de bovenstaande vergelijking kan worden afgeleid dat het vermogen altijd 0 zal zijn als de waarde van de spanning 0 is, of als de waarde van de stroom 0 is. Een open circuit heeft geen stroom, maar als het circuit gesloten is, zal er stroom vloeien (als er spanning aanwezig is). Hoewel het mogelijk is om spanning zonder stroom te hebben, is het niet mogelijk om stroom zonder spanning te hebben. Om elektrisch vermogen te produceren, moeten we daarom zowel spanning als een gesloten circuit voor stroom hebben.
Hoe Energiecentrales Elektriciteit Opwekken
Ongeacht welk type energiecentrale (krachtcentrale) wordt overwogen, meer dan 95% van hen gebruikt het fundamentele principe van ‘constant een magnetisch veld over een stationaire geleider bewegen’ om elektrische energie op te wekken. Bijvoorbeeld:
- Steenkoolgestookte energiecentrale (en elke fossiele brandstofgestookte energiecentrale) – verbrandt brandstof om zijn chemische energie als warmte vrij te geven, die vervolgens wordt gebruikt om water in stoom om te zetten. De stoom wordt naar een stoomturbine gevoerd, die de turbine laat draaien. De resulterende mechanische energie van de turbine wordt via een as (en meestal versnellingsbak) naar een generator overgebracht.
- Windturbine – wind stroomt over de rotorbladen van een windturbine, waardoor de bladen gaan draaien. De draaiende beweging (kinetische energie) van de bladen wordt naar een generator gevoerd.
- Kernenergiecentrale – genereert warmte (thermische energie) om de temperatuur van water te verhogen; het water wordt vervolgens naar een warmtewisselaar gevoerd. Water aan de schilzijde van de schil-en-buis warmtewisselaar verandert in stoom terwijl het wordt verwarmd; deze stoom wordt vervolgens naar een stoomturbine gevoerd die is aangesloten op een generator.
- Waterkrachtcentrale (dam, pompopslag, getijdenstroom, getijdenbarrière, run-of-the-river) – water wordt naar een turbinerotor gevoerd, waardoor de rotor gaat draaien. De rotor is verbonden met een as aan een generator.
Waterkracht Turbinerotor en Generator
- Zonneoven – elektromagnetische golven van de zon worden gefocust op een specifiek punt (zonneoven) om een grote hoeveelheid warmte op dat punt te genereren. Een thermische vloeistof (vaak gesmolten zout) absorbeert de warmte en brengt deze over naar water via een warmtewisselaar. Het water verandert van fase naar stoom en de stoom wordt naar een stoomturbine gevoerd, die is aangesloten op een generator.
Gerelateerde Online Engineering Cursussen
Synchrone Elektrische Generatoren
Hoe Elektriciteit te Maken (Energieopwekking)
Hoe Elektriciteitsnetwerken Werken
Aanvullende Bronnen
https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_generation
https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/how-electricity-is-generated.php