Was ist ein Gleichstromgenerator?
Funktionsprinzip
Ein Gleichstromgenerator wandelt die mechanische Leistung einer Antriebsmaschine, etwa eines Motors oder einer Turbine, in elektrische Gleichstromleistung um. Die Ankerleiter schneiden den Fluss der Feldpole und induzieren eine EMK E = k·Φ·ω, die Spannung ist also dem Fluss und der Drehzahl proportional. Kommutator und Bürsten kehren den Anschluss jeder Spule um, wenn sie die neutrale Zone durchläuft, und machen aus der Wechsel-EMK der Spulen eine gleichgerichtete Spannung an den Klemmen.
Erregung und Selbsterregung
Das Feld kann aus einer fremden Quelle gespeist werden, oder die Maschine speist ihr Feld selbst. Ein Nebenschlussgenerator startet aus dem kleinen Restfluss der Pole: Er induziert einige Volt, diese treiben einen Feldstrom, der Strom erhöht den Fluss, und die Spannung steigt, bis die Leerlaufkennlinie die Feldwiderstandsgerade V = R_f·I_f schneidet. Das geschieht nur, wenn R_f unter dem kritischen Widerstand, der Steigung der Leerlaufkennlinie, liegt, die Drehzahl über der kritischen liegt und das Feld den Restfluss unterstützt.
Lastkennlinie und Regelung
Unter Last gilt für die Klemmenspannung V = E − I_a·R_a − Bürstenspannungsfall, und die Ankerrückwirkung schwächt den Fluss etwas. Ein fremderregter Generator verliert deshalb nur wenige Prozent. Ein Nebenschlussgenerator verliert mehr, weil die sinkende Spannung auch sein eigenes Feld schwächt; nach einem Spitzenstrom bricht er auf einen kleinen Kurzschlussstrom zusammen. Ein Reihenschlussgenerator steigt mit der Last, weil sein Feld den Laststrom führt, und ein Doppelschlussgenerator verbindet beides und hält die Spannung nahezu konstant.
Verluste und Antriebsmoment
Die Antriebsmaschine muss die elektrische Leistung plus die Verluste liefern: Kupferverluste in Anker und Feld, Bürstenverluste sowie Reibungs-, Lüfter- und Eisenverluste. Das Wellenmoment ist diese Leistung geteilt durch die Winkelgeschwindigkeit und etwas größer als das elektromagnetische Moment. Der Wirkungsgrad liegt bei Nennlast meist zwischen 85 und 92 %. Drehstromgeneratoren mit Gleichrichtern haben Gleichstromgeneratoren weitgehend abgelöst, die Prinzipien leben aber in Dynamos, Tachogeneratoren und der Nutzbremsung von Gleichstromantrieben weiter.
Häufig gestellte Fragen
- Warum baut ein Nebenschlussgenerator keine Spannung auf?
- Vier Ursachen sind häufig: Es gibt keinen Restmagnetismus, das Feld ist verpolt und sein Strom löscht den Restfluss, der Feldwiderstand liegt über dem kritischen Wert oder die Drehzahl liegt unter der kritischen. Probieren Sie jede im Simulator aus: Die Warnung nennt die Ursache, und das Aufbaudiagramm bleibt bei der Restspannung flach.
- Was ist der kritische Feldwiderstand eines Gleichstromgenerators?
- Es ist die Steigung der Leerlaufkennlinie im Ursprung in Volt je Ampere Feldstrom. Eine Feldwiderstandsgerade, die steiler als diese Steigung ist, schneidet die Kurve nur nahe null, und die Spannung bleibt beim Restwert. Die Steigung ist der Drehzahl proportional: Eine kleinere Drehzahl senkt den kritischen Widerstand und erhöht die kritische Drehzahl für einen gegebenen Feldkreis.
- Wie ändert sich die Spannung mit der Last bei verschiedenen Gleichstromgeneratoren?
- Beim fremderregten sinkt sie leicht, durch Ankerwiderstand und Ankerrückwirkung. Ein Nebenschlussgenerator sinkt stärker und kann bei starker Überlast zusammenbrechen. Ein Reihenschlussgenerator startet nahe dem Restwert und steigt mit der Last, ein Doppelschlussgenerator ist nahezu flach. Wechseln Sie im Simulator die Schaltung und vergleichen Sie die Lastkennlinien im Diagramm.