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Die verborgene Kraft in den Rotoren von Elektromotoren: Warum moderne Generatoren nicht auf Kohlebürsten angewiesen sind?
Mit dem technologischen Fortschritt entwickeln sich auch das Design und die Funktionsweise von Generatoren weiter. Der Wechsel von frühen Generatoren, die auf Kohlebürsten basierten, zur heute immer häufiger eingesetzten bürstenlosen Technologie hat nicht nur die Generatorleistung verbessert, sondern auch die Wartungskosten gesenkt. Viele Leser fragen sich vielleicht, warum moderne Generatoren nicht mehr auf Kohlebürsten angewiesen sind. Welche technologischen Neuerungen verbergen sich dahinter?
Anregung im Elektromagnetismus
In der Elektromagnetik versteht man unter Anregung den Vorgang, ein magnetisches Feld mittels elektrischem Strom zu erzeugen. Ein Generator oder Motor besteht aus einem Rotor, der sich in einem Magnetfeld dreht. Das Magnetfeld kann durch Permanentmagnete oder elektrische Feldspulen erzeugt werden. Bei Maschinen, die elektrische Feldspulen verwenden, muss Strom durch die Spulen fließen, um das Magnetfeld zu erzeugen (erregen). Andernfalls kann der Rotor keine Leistung übertragen.
Elektrische Feldspulen bieten die flexibelste Form der Flussregulierung, sie verbrauchen jedoch Strom.
Erregung in Generatoren
Bei vielen großen Generatoren muss ein elektrischer Strom bereitgestellt werden, bevor der Generator Strom erzeugen kann. Obwohl ein Teil der Generatorleistung genutzt werden kann, um das Magnetfeld nach dem Start aufrechtzuerhalten, ist beim Start dennoch eine externe Stromquelle erforderlich. Die Kontrolle des Magnetfelds ist sehr wichtig, da hierdurch die Spannung im System aufrechterhalten wird.
Verstärkerprinzip
Mit Ausnahme von Permanentmagnetgeneratoren ist die Ausgangsspannung des Generators proportional zum magnetischen Fluss. Die Summe des magnetischen Flusses setzt sich aus der Magnetisierung der Struktur und dem durch den Erregerstrom erzeugten Magnetfeld zusammen. Wenn kein Erregerstrom vorhanden ist, ist der magnetische Fluss sehr gering und die Ankerspannung nahezu Null. Durch die Steuerung des Feldstroms kann die Spannung des Generatorsystems geregelt werden, um den Spannungsabfall zu vermeiden, der durch die Erhöhung des Ankerstroms verursacht wird.
Ein Generator kann als Strom-Spannungs-Verstärker betrachtet werden.
Nutzung unabhängiger Anreize
Bei großen Generatoren ist es üblich, einen separaten Erregergenerator zu verwenden, der parallel zum Hauptgenerator geschaltet ist. Dabei handelt es sich um einen kleinen Generator mit Permanentmagnet oder Batteriebetrieb, der den nötigen Strom für den größeren Generator bereitstellen soll.
Eine neue Ära der Selbstmotivation
Moderne Generatoren sind in der Regel selbsterregt, das heißt, ein Teil der Rotor-Ausgangsleistung wird zum Antrieb der elektrischen Feldspulen verwendet. Wenn der Generator ausgeschaltet wird, bleibt im Rotorkern eine gewisse Menge an Restmagnetismus erhalten. Schließen Sie beim Starten des Generators zunächst keine Last an. Dann induziert sein anfänglich schwaches Magnetfeld einen schwachen Strom in der Rotorspule, wodurch das Magnetfeld verstärkt und schließlich eine starke Spannung erzeugt wird.
Startup und andere Varianten
Selbsterregte Generatoren müssen ohne externe Last gestartet werden. Es gibt verschiedene Arten von selbsterregten Konstruktionen, von einfachen Shunt-Konstruktionen, die Strom aus der Hauptwicklung verwenden, bis hin zu Erregerverstärkungssystemen, die einen temporären Energieschub bereitstellen, um Laständerungen zu bewältigen.
Wenn der Restmagnetismus des Generators nicht ausreicht, um die volle Spannung zu erreichen, gibt es normalerweise Vorkehrungen, um Strom aus einer anderen Quelle einzuspeisen.
Der Aufstieg der bürstenlosen Anreize
Die bürstenlose Erregungstechnologie ermöglicht die Erzeugung des magnetischen Flusses im Motor ohne den Einsatz von Kohlebürsten. Diese Technologie, die aus Fortschritten in der Halbleitertechnologie entwickelt wurde, nutzt einen rotierenden Gleichrichter, um die induzierte Wechselspannung auf der Welle der Synchronmaschine zu sammeln und gleichzurichten, um sie der Feldwicklung des Generators bereitzustellen. Während die bürstenlose Erregung in Bezug auf die schnelle Flussregulierung bisher Mängel aufwies, verbessert sich dies nun mit der Verfügbarkeit neuer Lösungen.
Die Zukunft der Technologie
Die heutige bürstenlose Technologie ist ausgereifter und nutzt leistungsstarke drahtlose Kommunikation, wie etwa Thyristorgleichrichter und Schaltschnittstellen, um eine vollständige Kontrolle des Magnetfelds zu erreichen, wodurch der Betrieb des Generators flexibler und effizienter wird.
Da sich die Technologie ständig weiterentwickelt, bleibt die Frage, ob Generatoren vollständig auf Kohlebürsten verzichten können, eine Herausforderung. Welche neuen Technologien werden in Zukunft auftauchen, um diese Herausforderungen zu lösen?
