Prinzipien und Funktionsweise von Gleichstromgeneratoren

1. Funktionsprinzip eines Generators

Elektrische Generatoren basieren auf der Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und elektrischem Strom. Wenn ein Leiter ein Magnetfeld durchquert, wird ein elektrischer Strom induziert.

2. Gleichstrom aus Wechselstrom

Durch einen Kommutator, der die Enden der Leiterschleifen mit zwei voneinander isolierten Halbringen verbindet, wird der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt. Bürsten nehmen den Gleichstrom ab. Für eine gleichmäßigere Spannung werden Dynamos mit mehreren Spulen und Kommutatorsegmenten gebaut.

3. Wesentliche Bestandteile eines Gleichstromgenerators

• Induzierter (Rotor): Der rotierende Teil der Maschine, der sich in einem Magnetfeld dreht. Ein magnetischer Kern (meist ein Zylinder) ist mit Kupferspulen umwickelt.
• Induktor (Stator): Der feststehende Teil der Maschine. Besteht aus einer Spule mit zwei oder mehr Polen (bipolare oder multipolare Maschinen).
• Kollektor: Die Verbindung zwischen der Ankerwelle und den Kommutatorlamellen.

4. Wicklungsarten im Anker

• Wendepolwicklung: Der Anfang jeder Spule ist mit einem Kommutatorsegment verbunden, das Ende mit dem nächsten Segment.
• Wellenwicklung: Der Anfang jeder Spule ist mit einem Segment eines Pols verbunden, das Ende mit einem Segment des nächsten Pols.

5. Der Luftspalt

Der Luftspalt ist der Abstand zwischen Anker und Induktor. Er wird minimiert, um den magnetischen Widerstand zu verringern und die Effizienz zu erhöhen.

6. Ankerrückwirkung

Die Ankerrückwirkung entsteht durch das Zusammenspiel des Magnetfeldes des Induktors und des induzierten Magnetfeldes im Anker. Sie verursacht eine Verschiebung der neutralen Zone. Sie kann durch Verschiebung der Bürsten oder durch Kompensationswicklungen vermieden werden.

7. Nachteil der Bürstenverschiebung

Die Bürstenverschiebung muss für unterschiedliche Lasten angepasst werden, was einen Nachteil darstellt.

8. Kompensationswicklungen

Kompensationswicklungen erzeugen ein Magnetfeld, das die Ankerrückwirkung kompensiert.

9. Anwendung von Kompensationswicklungen

Sie werden in Hochleistungsmaschinen eingesetzt, um Verzerrungen des Magnetfelds zu minimieren.

10. Erzeugung des Magnetfelds

Das Magnetfeld kann durch Permanentmagnete (für kleine Dynamos) oder durch Elektromagnete erzeugt werden. Elektromagnete ermöglichen eine bessere Regulierung des Magnetfelds.

11. Fremderregte Dynamos

Bei fremderregten Dynamos wird der Erregerstrom von einer externen Quelle bereitgestellt. Vorteil: Gute Regulierbarkeit. Nachteil: Benötigt eine externe Gleichstromquelle.

12. Selbsterregung

Bei selbsterregten Dynamos wird der Erregerstrom vom Generator selbst erzeugt. Es gibt verschiedene Arten: Nebenschluss-, Reihen- und Compounderregung. Restmagnetismus im Kernmaterial ermöglicht den Start der Selbsterregung.

13. Nebenschlusserregung

Ein Rheostat reguliert die Ausgangsspannung. Bei hoher Belastung kann die Erregung abnehmen, da der Spannungsabfall in der Last die Klemmenspannung und damit den Erregerstrom reduziert.

14. Reihenerregung

Die Feldwicklung hat wenige Windungen und einen großen Querschnitt, da der Strom hoch ist. Nachteile: Keine Erregung im Leerlauf, Spannungsanstieg bei hoher Belastung.

15. Compounderregung

Kombination aus Reihen- und Nebenschlusswicklung. Vorteil: Stabilere Spannung bei unterschiedlichen Lasten.

16. Tests von Generatoren

• Leerlaufkennlinie
• Lastkennlinie
• Erregerkennlinie
• Kurzschlusskennlinie
• Äußere Kennlinie
• Regulierkennlinie

17. Benötigte Messgeräte

• Regelbarer Antriebsmotor
• Gleichstromquelle für den Antriebsmotor
• Regelbare Gleichstromquelle für die Erregung
• Messgeräte für Spannung und Strom
• Drehzahlmesser
• Rheostate zur Stromregelung