Växelströmsgeneratorn och dess funktion tillsammans med reglerdon m m
2003-06-14. Dick Pettersson. En orientering kring laddnings- och strömförsörjningsproblemen ombord. Initierat av frågor i SXK:s Forum.
Som svar på frågan “Separat laddningsregulatorer” vill jag istället försöka förklara hur en vanlig standard växelströmsgenerator fungerar. Den kunskapen kan direkt ge svar på en och annan fråga kring laddnings- och strömförsörjningsproblemen ombord.
Laddningsdon
Varje seriöst laddningsdon - det må vara en växelströmsgenerator, en till landnätets 230 volt spänning ansluten batteriladdare eller en solcellspanel - är försedd med en spänningsregulator vars uppgift är att se till att spänningen i laddningssystemet inte överskrider ett viss värde. Spänningsregulatorn - eller laddningsregulatorn som den också brukar kallas - borde egentligen kallas spänningsbegränsare med tanke på sin funktion.
Spänningsbegränsning
Spänningen i ett laddningssystem måste begränsas är att förhindra gasning hos batterierna. Överskrids gasningsspänningen bildas den mycket explosiva knallgasen, en blandning av syrgas och vätgas. Gasningsspänningen hos en ackumulator är temperaturberoende, ju högre batteritemperatur desto lägre gasningsspänning och vice versa. Vid en batteritemperatur på 20° C ligger gasningsspänningen vid ca 14,2 volt för ett vanligt marinbatteri av blylågantimontyp. Det motsvarar ca 2,35 - 2,4 volt för en battericell.
Spänningsregulatorn
På en standard växelströmsgenerator kan “regulatorn” antingen vara inbyggd (som på t ex Yanmar/Hitachi) eller monterad utvändigt på generatorgaveln (som på t ex Volvo/Valeo). På Hitachi sker plusavkänningen inne i generatorn, på Valeo på anslutningsskruven B+ på utsidan.
Själva regleringen
Enkelt förklarat bryter regulatorn magnetiseringsströmmen till generatorns rotor när generatorns utspänning når upp till säg 14,2 volt, eller ett annat spänningsvärde som är inställt i regulatorns elektronik. (På “gamla” elektromekaniska regulatorer - laddningsreläer - kunde man mekaniskt justera spänningsgränsen.) I och med att magnetiseringsströmmen till rotorn bryts minskar generatorns förmåga att lämna laddningsström, laddningsspänningen börjar sjunka och magnetiseringsströmmen sluts igen. Dessa till- och frånslag sker många gånger per sekund. Variationen i generatorns utspänning på grund av dessa till- och frånslag ligger på bråkdelar av en volt. Genom att magnetiseringslindningen i rotorn är just en lindning kring en järnkärna kommer magnetiseringsströmmen vid till- och frånslag att få en sågtandsliknande form. Detta i kombination med batteriernas förmåga att jämna ut variationerna gör att man inte uppfattar att generatorns utspänning hastigt varierar något.
Överbelastning av generatorn
Den maximala ström som en växelströmsgenerator förmår leverera vid inställd spänning (t ex 14,2 volt) beror på generatorvarvtalet. Generatorn behöver minst ca 1000 varv/minut för att börja lämna ström och når maxström vid 5000-6000 varv/minut. En “generatorkurva” som visar förhållandet mellan utström och varvtal finns alltid med i generatorns dokumentation. Försöker man ta ut mer ström ur generatorn än vad “generatorkurvan” visar vid ett visst varvtal orkar inte generatorns utspänning upp till det fabriksinställda maximalvärdet utan stannar på ett lägre värde.
Praktisk visar sig detta mycket enkelt om man har möjlighet att samtidigt mäta både laddningsspänning och laddningsström när man startat motorn. Dettaexperiment förutsätter dock att batterierna är i behov av laddning och att de vill ha mera ström än vad generatorn förmår att ge vid aktuellt motorvarvtal. För att få en riktig bild av laddningförloppet bör inga övriga förbrukare vara “på”. Man kommer att på instrumenten kunna avläsa att laddningsspänningen sakta stiger samtidigt som laddningsströmmen är i stort sett konstant men också att laddningsströmmen inte kommer upp till generatorns maximalström.
När så småningom laddningsspänningen slutar att stiga, begränsningen inträder, börjar laddningsströmmen i stället att sjunka.
Batteriavkännande regulatorer
Med en batteriavkännande regulator kan man utnyttja den befintliga generatorn bättre men man kan inte påverka generatorns data. Batteriavkänning innebär att regulatorns avkänning flyttas ned från generatorn till batterierna. Man kompenserar på detta sätt spänningsfallet i ledningarna mellan generatorn och batterierna vilket ger snabbare laddning.
Det förekommer två typer av batteriavkännande regulatorer, den ena med positiv avkänning, som känner av spänningen på batteriets pluspol, den andra med både positiv och negativ avkänning, som även känner av spänningen på batteriets minuspol.
Vill man förse t.ex. Hitachi typ LR 135 och LR 155, som har inbyggd regulator, med en batterikännande regulator måste generatorn "byggas om" .
På t.ex. Volvo/Pentas Valeo, som har regulatorn utvändigt, är positiv batteriavkänning redan förberedd. Där flyttar man helt enkel den gula avkänningsledningen, som kommer ut från regulatorn, från generatorns utgång B+ till förbrukarbatteriets (i ett 2-batterisystem) pluspol. (Se Volvo/Pentas anvisningar.) Amerikanska generatorer brukar ha batteriavkänning.
Batteriavkänning innebär att generatorns utspänning kommer att variera med laddningsströmmen.
Därför är det viktigt att strömförsörjningen till båtens förbrukare hämtas nära batteriet - och INTE på generatorns utgång - då generatorns utspänning kan bli skadligt hög för förbrukarna!
Det avkända batteriet måste, när motorn går, ha ständig kontakt med generatorutgången B+. Risken är annars att utspänningen skenar om regulatorn inte får "något svar" från batteriet!
(Det finns regulatorer som vid avbrott i avkänningsledningen lägger in en ersättning för den försvunna polspänningen. Regleringen blir sämre då, men spänningen skenar ej iväg.)
Något om laddningslampan
Ovannämnda generatorer med flera, dock inta alla, har laddningslampa. Den lilla ström som går genom lampan utgör magnetiseringsström som “kickar igång” generatorn när motorn startas. Sedan tar generatorn själv över och förser, via regulatorn, rotorn med magnetiseringsström. I och med detta slocknar lampan.
Sammanfattning
1. Att spänningsregulatorn/ laddningsregulatorn/ laddningsreläet inte har med laddningsströmmen att göra utan endast är en spänningsbegränsare som skall förhindra att laddningsspänningen blir högre än gasningsspänningen med överladdning/gasning som följd.
2. Att det är förbrukarna, och dit hör även ett batterierna, som bestämmer utströmmen från generatorn.
3. Att “generatorkurvan” visar hur mycket ström generatorn teoretiskt kan lämna vid olika varvtal utan att utspänningen sjunker.
4. Att, om laddningslampan är trasig, generatorn inte börjar ladda. (I undantagsfall kan viss restmagnetism få igång generatorn.)
5. Bygg upp laddningssystemet så att alla batterier laddas samtidigt när motorn är igång. När generatorn kommit upp i spänningsbegränsning finns ström att hämta. Det lönar sig inte att med en omkopplare ladda ett batteri först och sedan nästa o.s.v.
6. Skapa, för att alltid kunna starta motorn, ett 2-batterisystem med antingen ett “skiljerelä” eller en “skiljediod”. Tänk på att skiljedioden, som ger ett spänningsfall på +0,7-1 volt, kräver motsvarande höjning av generatorns spänningsgräns för att inte laddningstiden skall förlängas. Detta löses med batteriavkännande regulator.
Generatorordlista
Generator / växelströmsgenerator:
Genererar elektrisk ström för batteriladdning m.m.
Växelströmsgenerator genererar invändigt 3-fasig växelström (därav namnet) som likriktas med 6 dioder. (På engelska alternator)
Regulator / spänningsregulator, laddningsregulator, laddningsrelä:
Begränsar laddningsspänningen till ett avsett maxvärde genom att styra magnetiseringsströmmen.
Batteriseparator av relätyp / skiljerelä i laddningssystemet:
Skapar ett 2-batterisystem med 2 separata batterier (grupper av batterier), ett (en) för motorstart och ett (en) för övriga strömförbrukare ombord.
Batteriseparator av diodtyp / laddningsfördelare (oegentligt namn) / dubbeldiod / diodseparator i laddningssystemet:
Skapar, på samma sätt som ovan, ett 2-batterisystem. Dock måste det spänningsfall som alltid uppstår i en diod kompenseras för att inte försämra laddningen, då vanligen med en batteriavkännande regulator.
Batteriavkännande regulator:
Som i stället för att för sin reglering känna av generatorns utspänning, känner av batteriets polspänning. Generatorns utspänning kommer då, för att kompensera spänningsfallet mellan generatorn och batteriet, att hela tiden anpassa sig för att batteriets polspänning skall kunna nå upp till den i regulatorn inställda, vanligen 14,2 volt.