Hoe gelijkstroommachines werken
Gelijkstroommachines (DC-machines) zijn fundamentele componenten in talloze elektrische systemen en staan bekend om hun efficiëntie en betrouwbaarheid bij het omzetten van elektrische energie in mechanische energie of omgekeerd. Ze zijn er in twee hoofdtypen: DC-motoren en DC-generatoren. Om te begrijpen hoe deze machines werken, is het nodig om de principes van elektromagnetisme, hun componenten en hun werking te bestuderen.
Basisprincipes van bediening
Elektromagnetische inductie
De basis van de werking van gelijkstroommachines is elektromagnetische inductie, een proces dat wordt beschreven door de wet van Faraday. Deze wet stelt dat er een spanning wordt opgewekt in een geleider wanneer deze een verandering in magnetische flux ondervindt. Bij gelijkstroommachines wordt dit principe omgekeerd toegepast op motoren en generatoren:
– DC-motoren: zetten elektrische energie om in mechanische energie. Wanneer er stroom door de ankerwikkeling loopt binnen het magnetische veld dat wordt opgewekt door de stationaire veldwikkelingen, wordt er een kracht uitgeoefend op de geleiders, waardoor een koppel ontstaat dat het anker doet draaien.
– DC-generatoren: zetten mechanische energie om in elektrische energie. Wanneer het anker mechanisch roteert in een magnetisch veld, snijdt het de magnetische veldlijnen door, waardoor een elektromotorische kracht (EMK) in de geleiders wordt opgewekt.
Magnetische velden en ankerreactie
Zowel bij motoren als generatoren speelt de interactie tussen de magnetische velden die door de veldwikkelingen worden opgewekt en het anker een cruciale rol. Ankerreactie verwijst naar de invloed die het magnetische veld, opgewekt door de stroom in de ankerwikkelingen, heeft op het totale magnetische veld in de machine. Dit fenomeen kan verstoringen veroorzaken en leiden tot problemen zoals vonkvorming bij de borstels, waardoor ontwerpoverwegingen zoals compenserende wikkelingen of interpolen noodzakelijk zijn.
Belangrijke onderdelen
Armature
Het anker is het roterende deel van de machine. Het bestaat uit een cilindrische ijzeren kern met sleuven voor de geleiders. In motoren voert het de stroom waarop het magnetische veld kracht uitoefent; in generatoren is het de plaats waar spanning wordt opgewekt.
Veldwikkelingen
Veldwikkelingen genereren het magnetische veld dat nodig is voor de werking. Dit kunnen elektromagneten zijn die worden gevoed door een externe gelijkstroombron, of permanente magneten in kleinere machines. Door de veldwikkelingen te bekrachtigen, wordt de magnetische flux aangepast en daarmee de prestatiekarakteristieken van de machine.
Commutator
De commutator is een mechanische roterende schakelaar die periodiek de stroomrichting in de ankerwikkelingen omkeert. Hij zorgt ervoor dat het opgewekte koppel (in motoren) of de geïnduceerde spanning (in generatoren) een constante richting behoudt. De commutatorsegmenten zijn van elkaar en van de as geïsoleerd.
Borstels
Borstels zijn stationaire, geleidende materialen die een elektrische verbinding met de roterende commutator in stand houden. Borstels, meestal gemaakt van grafiet of koolstof, geleiden stroom van en naar de ankerwikkelingen.
Lagers en assen
De as ondersteunt het anker en maakt de rotatie ervan mogelijk. Lagers verminderen de wrijving tussen het roterende anker en de stationaire behuizing, waardoor de efficiëntie en levensduur toenemen.
Juk en palen
Het juk vormt het buitenframe van de machine, zorgt voor structurele stevigheid en geleidt de magnetische flux. Aan het juk zijn de polen bevestigd, die de veldwikkelingen dragen en een nagenoeg uniform magnetisch veld door de ankersleuven genereren.
Werking van gelijkstroommotoren
Werkingsprincipe
Gelijkstroommotoren werken volgens het principe dat een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld een kracht ondervindt. De ankerwikkelingen voeren de stroom die in wisselwerking staat met het magnetische veld dat door de veldwikkelingen wordt opgewekt, waardoor een koppel ontstaat dat de motor laat draaien. De draairichting kan worden bepaald met behulp van de rechterhandregel.
Soorten gelijkstroommotoren
1. Shuntmotoren: Deze motoren hebben de veldwikkelingen parallel aan het anker geschakeld. Ze kenmerken zich door een relatief constante snelheid bij wisselende belastingen.
2. Seriemotoren: Hierbij zijn de veldwikkelingen in serie met het anker geschakeld. Ze leveren een hoog aanloopkoppel en zijn geschikt voor toepassingen met grote belastingsvariaties.
3. Samengestelde motoren: Deze combineren de eigenschappen van zowel serie- als shuntmotoren, met zowel serie- als shuntveldwikkelingen. Ze bieden een gebalanceerde prestatie voor een breed scala aan toepassingen.
Speed Control
Snelheidsregeling bij gelijkstroommotoren kan op verschillende manieren worden bereikt, bijvoorbeeld:
– Ankerspanningsregeling: Hiermee wordt de spanning op de ankerwikkelingen aangepast.
– Regeling van de veldstroom: Het aanpassen van de stroom door de veldwikkelingen om de magnetische flux te veranderen.
– Regeling van de ankerweerstand: het plaatsen van variabele weerstanden in serie met het anker.
Werking van gelijkstroomgeneratoren
Werkingsprincipe
Gelijkstroomgeneratoren zetten mechanische energie om in elektrische energie op basis van de wet van Faraday over elektromagnetische inductie. Wanneer het anker door het magnetische veld roteert, wordt een elektromotorische kracht (EMK) opgewekt. De commutator gelijkricht deze opgewekte EMK om een gelijkstroomuitgang te produceren.
Soorten gelijkstroomgeneratoren
1. Afzonderlijk bekrachtigde generatoren: De veldwikkelingen worden gevoed door een externe bron. De uitgangsspanning is onafhankelijk van de belastingsstroom.
2. Zelfbekrachtigde generatoren: De veldwikkelingen worden door de generator zelf van stroom voorzien en kunnen verder worden onderverdeeld in:
– Shuntgeneratoren: De veldwikkelingen zijn parallel geschakeld met het anker.
– Seriegeneratoren: De veldwikkelingen staan in serie met het anker.
– Samengestelde generatoren: hebben zowel serie- als parallelle veldwikkelingen voor verbeterde prestaties.
Voltage regulatie
Het handhaven van een stabiele spanningsoutput is cruciaal voor de prestaties van de generator en kan worden bereikt door:
– Regeling van de veldstroom: Het aanpassen van de stroom door de veldwikkelingen.
– Automatische spanningsregelaars (AVR's): Worden gebruikt in moderne gelijkstroomgeneratoren voor nauwkeurige spanningsregeling.
Toepassingen
Motoren
– Industriële toepassingen: transportbanden, kranen en werktuigmachines.
– Vervoer: elektrische voertuigen, treinen en trams.
– Huishoudelijke apparaten: ventilatoren, airconditioners en wasmachines.
Generatoren
– Draagbare stroomvoorzieningen: reserve- en noodstroomvoorziening tijdens stroomuitval.
– Hernieuwbare energiesystemen: systemen voor de opslag van zonne-energie.
– Automobielindustrie: Dynamo's in voertuigen voor het opladen van accu's.
Conclusie
Gelijkstroommachines vormen een essentieel onderdeel van ons moderne technologische landschap. Ze benutten de principes van elektromagnetisme om betrouwbare en efficiënte energieomzetting te realiseren. Inzicht in hun componenten, werking en toepassingen geeft inzicht in hun blijvende belang in zowel industriële als alledaagse contexten. Van het mogelijk maken van een hoog koppel in motoren tot het garanderen van een constante stroomvoorziening via generatoren, gelijkstroommachines blijven de vooruitgang in diverse sectoren stimuleren.
