Hoogspanning de generator

De wisselstroomgenerator is het hart van onze energievoorziening. Door kolen of gassen te verbranden en van de vrijkomende warmte stoom te maken, kan men energie omzetten in een draaiende beweging. Deze beweging wordt gebruikt in een generator om elektriciteit op te wekken. In Nederland wordt via generatoren in voeddingsstations het hoogspanningsnet voorzien van energie. Het transport- en distributienet brengt de elektrische energie bij u thuis.

Inductie

Een magnetisch veld B door een zeker oppervlak S veroorzaakt een magnetische flux:

Een veranderende flux door een geleider zal een inductiespanning Ui opwekken

Van dit principe wordt gebruik gemaakt in een wisselstroomgenerator. Dit is de 'dynamo' waarmee onze elektriciteit voor het hoogspanningsnet wordt opgewekt. In een dergelijke generator wordt de flux-verandering verkregen door een spoel -de rotor- rond te laten draaien in een permanent magnetisch veld (stator). Hierbij worden zeer hoge spanningen opgewekt. De rotor is via een as verbonden aan een turbine (of meerdere turbines), die via stoomkracht (of gas) de rotor aandrijven. De hoeveelheid energie (of vermogen) die een generator kan leveren, is uit te drukken in de spanning en de stroom die uiteindelijk geleverd wordt. Het is natuurlijk zo dat hoe meer vermogen men aan de turbine-kant er instopt (door het verstoken van kolen of gas), des te hoger het elektrische vermogen zal zijn.
Via allerlei transport- en distributiesystemen en transformatoren komt de elektriciteit uiteindelijk bij u thuis.

Werking van een generator

Rotatie
De fluxverandering (dΦ/dt) treedt op doordat een spoel (de rotor) ronddraait in een permanent magnetisch veld B. Op de spoel zijn 3 wikkelingen gelegd; in elke wikkeling zal een aparte inductiespanning gegenereerd worden. Deze 3 spanningen noemt men ook wel de 3 fasen; hoogspanning wordt altijd met 3 fasespanningen geleverd, de zogenaamde draaistroom. De reden hiervoor is dat grote elektromotoren -gebruikt voor zware industriele toepassingen- die op draaistroom werken het voordeel hebben dat ze veel minder gevoelig zijn voor slijtage dan 1-fasige motoren. Een aansluiting op het spanningsnet voor grootverbruikers zal meestal via 3 fasen zijn; ook in sommige huishoudens heeft men de beschikking over 3 fasen.
Voor een rotatie met constante snelheid in een permanent B-veld kan men schrijven voor de fluxverandering:

- dΦ / dt = - d/dt (∫∫ B en dS) = - (B * S * sin(ωt)) * d/dt (ωt) = -B * S * sin(ωt) * ω

met
ω = hoeksnelheid (rad/s)
S = oppervlak

Sinus
Op deze manier ontstaan 3 sinusvormige spannigen U1, U2, en U3. Wanneer de rotor een volledige rotatie heeft afgelegd, heeft de sinus precies een periode afgelegd (van 0 tot 2π). De frequentie van de inductiespanning is gelijk aan 1/T (T = periodetijd); deze frequentie houdt men altijd rond de 50 Hertz. Dit is mogelijk door meer of minder vermogen (stoomkracht) in het gedeelte met de turbines te 'pompen'. Men kan het opwekken van elektrische energie ook wel vergelijken met tegen de wind in fietsen. Wanneer huishoudens, fabrieken, en bedrijven veel stroom verbruiken, moeten de generatoren meer stroom leveren. Voor een generator voelt dit als fietsen met hardere tegenwind. Om de trappers met dezelfde snelheid rond te laten draaien, moet men meer energie leveren. In een generator moet men dan meer stoomkracht op de turbines leveren. Wanneer het stroomverbruik afneemt, hoeft men minder stoomkracht te produceren (vergelijk: fietsen zonder veel tegenwind).

De drie fasespanningen noemt men ook wel een draaiveld. Een driefasenspanning bestaat uit 3 verschillende wisselspanningen, elk 120° fasegedraaid. In de generator zijn op de rotor 3 wikkelingen fysiek zodanig gelegd dat de opgewekte spanningen een faseverschil hebben ten opzichte van elkaar van 120° (2π/3). Het spanningsverschil van een fase ten opzichte van de nul (aarde) noemt men fasespanning. Het spannigsverschil van de 3 fasen ten opzichte van elkaar noemt men lijnspanning. De lijnspanning is altijd √3 maal groter dan de fasespanning. De bijbehorende 3 wisselstromen lopen eveneens 120° achter op elkaar, zij het dat de belasting van elk van de fasen bepaald hoeveel extra faseverschuiving optreedt. De 3 wisselspanningen worden ook wel R, S, en T genoemd, of L1, L2, en L3.

Windmolen
De roterende beweging wordt in een standaardgenerator verkregen door het gebruik van turbines. Men kan echter ook een generator aandrijven door wind- of waterkracht. In de figuur hiernaast is een generator afgebeeld die in een windmolen gebruikt wordt. De rotor in de generator is via een as en een tandwielkast verbonden met de wieken van de molen. De tandwielkast zorgt voor de overbrenging van de rotatie-energie. Het grote probleem met windkracht is dat het niet makkelijk te voorspellen is; de wind kan plotseling wegvallen, er helemaal niet zijn, of soms zelfs te sterk zijn. Daarnaast moet men de frequentie van de opgewekte energie synchroniseren met die van het spanningsnet. De opgewekte spanning wordt omgevormd tot een sinusvormige spanning die precies gelijk loopt met de spanning(en) op het spanningsnet.

Rendement
Het rendement van een generator is de verhouding tussen de hoeveel energie (of vermogen) dat men in de generator stopt, en de hoeveelheid (elektrische) energie die men uiteindelijk produceert. In een generator vinden een aantal omzettingen van energie plaats. De energie die in een brandstof zit, wordt vrijgemaakt (omgezet) in warmte-energie door verbranding. Dit proces gebruikt men bijvoorbeeld om stoom te genereren. Er gaat natuurlijk een bepaalde hoeveelheid warmte niet direct in de stoom zitten, maar in andere delen van de omgeving. Dit is warmteverlies. De draaiende onderdelen van een rotor (kinetische energie) ondervinden wrijving, zodat ook daar een gedeelte mechanische energie verloren gaat. Tenslotte heeft men in het elektrische circuit te maken met verliezen, omdat de elektrische geleiders altijd een weerstand (koperverlies) of impedantie hebben. Het elektrische vermogen valt dus altijd flink lager uit dan hetgeen men verstookt heeft.

Lees verder

• Nederland energie exporteur
• Driefasenspanning
• Hoeveel Watt is 1 PK?