Generátory a dynama

Vývoj a historie součástky, která umožnila první komerční využití elektřiny

Dynama a generátory přeměňují mechanickou rotaci na elektrickou energii.

Dynamo – zařízení, které pomocí elektromagnetismu vyrábí stejnosměrný elektrický proud. Označuje se také jako generátor, avšak pod pojmem generátor se obvykle rozumí „alternátor“, který vytváří střídavý proud.

Generátor – obvykle se tímto termínem označuje alternátor, který vytváří střídavou elektrickou energii pomocí elektromagnetismu.

Generátory, dynama a baterie jsou tři nástroje nezbytné k vytváření/ukládání značného množství elektrické energie pro lidské použití. Baterie mohly být objeveny již v roce 248 př. n. l. Jednoduše využívají chemické reakce k výrobě a uchovávání elektrické energie. Vědci experimentovali s bateriemi, aby vynalezli první žárovky, elektromotory a vlaky a vědecké testy. Baterie však nebyly spolehlivé ani nákladově efektivní pro jakékoli běžné elektrické použití, teprve dynamo radikálně změnilo elektřinu ze zvědavosti ve výnosnou a spolehlivou technologii.

1. Jak to funguje
2. Stručná historie dynama a generátorů
3. Videa generátorů

1). Jak to funguje:

Základní:

Nejprve potřebujete mechanický zdroj energie, jako je turbína (poháněná padající vodou), větrná turbína, plynová turbína nebo parní turbína. Hřídel z některého z těchto zařízení je připojena ke generátoru, který vyrábí energii.

Dynama a generátory pracují pomocí divokých složitých jevů elektromagnetismu. Pochopení chování elektromagnetismu, jeho polí a účinků je rozsáhlým předmětem studia. Existuje důvod, proč trvalo 60 let PO Voltově první baterii, než se podařilo zprovoznit dobré výkonné dynamo. Zjednodušíme si to, abychom vám pomohli uvést vás do zajímavého tématu výroby elektrické energie.

V nejzákladnějším smyslu je generátor/dynamo jeden magnet, který se otáčí, zatímco je uvnitř vlivu magnetického pole jiného magnetu. Magnetické pole není vidět, ale často se znázorňuje pomocí čar magnetického toku. Na obrázku výše by čáry magnetického toku sledovaly čáry vytvořené železnými pilinami.

Generátor/dynamo se skládá ze stacionárních magnetů (stator), které vytvářejí silné magnetické pole, a rotujícího magnetu (rotor), který deformuje a protíná magnetické čáry toku statoru. Když rotor protne čáry magnetického toku, vznikne elektřina.

Ale proč?

Vzhledem k Faradayovu indukčnímu zákonu, když vezmete drát a pohybujete jím tam a zpět v magnetickém poli, pole tlačí na elektrony v kovu. Měď má 27 elektronů, poslední dva na oběžné dráze jsou snadno zatlačeny na další atom. Tento pohyb elektronů je elektrický tok.

Podívejte se na video níže, které ukazuje, jak se v drátu indukuje proud:

Pokud vezmete hodně drátu, například v cívce, a pohybujete jím v poli, vytvoříte silnější „tok“ elektronů. Síla vašeho generátoru závisí na:

„l“-délce vodiče v magnetickém poli
„v“-rychlosti vodiče (rychlosti rotoru)
„B“-síle elektromagnetického pole

Výpočty můžete provést podle tohoto vzorce: e = B x l x v

Podívejte se na video, kde je vše demonstrováno:

O magnetech:

Nahoře: jednoduchý elektromagnet označovaný jako solenoid. Termín „solenoid“ vlastně popisuje trubkovitý tvar vytvořený stočeným drátem.

Magnety obvykle nejsou vyrobeny z přírodního magnetitu nebo permanentního magnetu (pokud se nejedná o malý generátor), ale jsou to měděné nebo hliníkové dráty stočené kolem železného jádra. Každá cívka musí být napájena určitou energií, aby se z ní stal magnet. Tato cívka kolem železa se nazývá solenoid. Solenoidy se používají místo přírodního magnetitu, protože solenoid je MNOHEM výkonnější. Malý solenoid může vytvořit velmi silné magnetické pole.

Nahoře: Cívky vodičů v generátorech musí být izolované. Porucha generátoru je způsobena příliš vysokým nárůstem teploty, což má za následek porušení izolace a zkrat mezi až paralelními vodiči.
Elektromagnetismus – nauka o silách, které probíhají mezi elektricky nabitými částicemi
Rotor – část generátoru dynama, která se otáčí
Armatura – totéž co rotor
Flux – siločáry v magnetickém poli, měří se v hustotě, SI jednotka weber
Stator – magnety v generátoru/dynamu, které se nepohybují, vytvářejí stacionární magnetické pole
Solenoid – magnet vytvořený drátěnou cívkou kolem železného/železného jádra (solenoid technicky znamená tvar tohoto magnetu, ale inženýři označují solenoid a elektromagnet zaměnitelně.
Komutátor – podrobněji se o nich dozvíte zde
Moment – síla při otáčivém pohybu

Dynamo

Dynamo je starší termín používaný pro označení generátoru, který vyrábí stejnosměrný proud. Stejnosměrný proud vysílá elektrony pouze jedním směrem. Problém jednoduchého generátoru spočívá v tom, že když se rotor otáčí, nakonec se úplně otočí a proud se obrátí. Dřívější vynálezci nevěděli, co si s tímto střídavým proudem počít, střídavý proud je složitější ovládat a navrhovat pro něj motory a světla. První vynálezci museli vymyslet způsob, jak zachytit pouze kladnou energii generátoru, a tak vynalezli komutátor. Komutátor je spínač, který umožňuje, aby proud tekl pouze jedním směrem.

Podívejte se na následující video, kde uvidíte, jak komutátor funguje:

Dynamo se skládá ze tří hlavních součástí: statoru, kotvy a komutátoru.

Kartáče jsou součástí komutátoru, kartáče musí vést elektřinu, protože udržují kontakt s rotující kotvou. První kartáče byly skutečné drátěné „kartáče“ vyrobené z malých drátků. Ty se snadno opotřebovávaly, a proto byly vyvinuty grafické bloky, které plnily stejnou funkci.

Stator je pevná konstrukce, která vytváří magnetické pole, v malém dynamu to lze provést pomocí permanentního magnetu. Velká dynama vyžadují elektromagnet. Kotva je tvořena vinutým měděným vinutím, které se otáčí uvnitř magnetického pole vytvořeného statorem. Když se vinutí pohybují, protínají čáry magnetického pole. Tím vznikají impulsy elektrické energie. K výrobě stejnosměrného proudu je zapotřebí komutátor. U stejnosměrného proudu proudí energie vodičem pouze jedním směrem, problém spočívá v tom, že rotující kotva v dynamu obrací proud každou půl otáčku, takže komutátor je otočný spínač, který odpojuje proud během obrácené části cyklu.

Samobuzení:

Protože magnety v dynamu jsou solenoidy, musí být pro svou činnost napájeny. Takže kromě kartáčů, které odvádějí energii ven do hlavního obvodu, existuje další sada kartáčů, které odebírají energii z kotvy, aby napájely magnety statoru. To je v pořádku, pokud je dynamo v chodu, ale jak dynamo spustíte, když nemáte žádný zdroj pro spuštění?“

Někdy si kotva zachovává určitý magnetismus v železném jádře, a když se začne otáčet, vytvoří malé množství energie, které stačí k vybuzení solenoidů ve statoru. Napětí pak začne stoupat, dokud dynamo nedosáhne plného výkonu.

Pokud v železe kotvy nezůstane žádný magnetismus, často se k vybuzení solenoidů v dynamu použije baterie, aby se dynamo rozběhlo. Tomu se říká „blikání pole“.

Níže v diskusi o zapojení dynama si všimnete, jak je napájení vedeno přes solenoidy jinak.

Existují dva způsoby zapojení dynama: sériové a boční. Podívejte se na schémata a zjistěte, jaký je mezi nimi rozdíl.

Níže uvádíme video malého jednoduchého dynama podobného výše uvedeným schématům (sestrojeného v 90. letech 19. století):

Generátor

Generátor se od dynama liší tím, že vyrábí střídavý proud. U střídavého proudu proudí elektrony oběma směry. Teprve v 90. letech 19. století přišli inženýři na to, jak navrhnout výkonné motory, transformátory a další zařízení, která by dokázala využívat střídavý proud způsobem, který by mohl konkurovat stejnosměrnému.

Zatímco alternátor používá komutátory, generátor používá k odběru energie z rotoru kluzný kroužek s kartáči. Na kluzném kroužku jsou připevněny grafitové nebo uhlíkové „kartáče“, které jsou odpružené a tlačí kartáč na kroužek. Tím se udržuje stálý tok energie. Kartáče se časem opotřebovávají a je třeba je vyměnit.

Níže video s kluznými kroužky a kartáči, mnoho příkladů od starých po nové:

Od dob Gramma v 60. letech 19. století se přišlo na to, že nejlepší způsob, jak postavit dynamo/generátor, je uspořádat magnetické cívky kolem širokého kruhu s širokou rotující kotvou. To vypadá jinak než jednoduché příklady malých dynam, které se používají při výuce fungování těchto zařízení.

Na fotografii níže jasně uvidíte jednu cívku na kotvě (ostatní byly odstraněny kvůli servisu) a další cívky zabudované do statoru.

Od 90. let 19. století až do dnešních dnů je standardní formou napájení 3fázový střídavý proud. Tři fáze se vytvářejí díky konstrukci generátoru.

Chcete-li vytvořit třífázový generátor, musíte na stator a kotvu umístit určitý počet magnetů, a to se správnými rozestupy. Elektromagnetismus je stejně složitý jako zacházení s vlnami a vodou, takže musíte vědět, jak řídit pole prostřednictvím své konstrukce. Mezi problémy patří nerovnoměrné přitahování magnetu k železnému jádru, nesprávné výpočty zkreslení magnetického pole (čím rychleji se točí, tím více je pole zkreslené), falešný odpor v cívkách kotvy a nespočet dalších potenciálních problémů.

Proč 3 fáze?“ Pokud se chcete dozvědět více o fázích a proč používáme 3 fáze, podívejte se na naše video s průkopníkem přenosu energie Lionelem Bartholdem.

2). Stručná historie dynama a generátorů:

Generátor se vyvinul z práce Michaela Faradaye a Josepha Henryho ve 20. letech 19. století. Jakmile tito dva vynálezci objevili a zdokumentovali jev elektromagnetické indukce, vedlo to k experimentům dalších lidí v Evropě i Severní Americe.

1832 – Hippolyte Pixii (Francie) sestrojil první dynamo s použitím komutátoru, jeho model vytvářel impulsy elektřiny oddělené bez proudu. Náhodou také vytvořil první alternátor. Nevěděl, co si počít s měnícím se proudem, soustředil se na snahu eliminovat střídavý proud, aby získal stejnosměrný proud, to ho vedlo k vytvoření komutátoru.
1830-1860 – Baterie je stále nejvýkonnějším způsobem dodávky elektřiny pro různé experimenty probíhající v tomto období. Elektřina stále nebyla komerčně využitelná. Elektrický vlak na baterie z Washingtonu DC do Baltimoru selhal a ukázal se jako hrubá ostuda pro nový obor elektřiny. Po milionech promrhaných dolarů se pára stále ukazovala jako lepší zdroj energie. Elektřina stále potřebovala prokázat, že je spolehlivá a komerčně životaschopná.
1860 – Antonio Pacinotti- Vytvořil dynamo, které poskytovalo nepřetržitý stejnosměrný proud
1867 – Werner Von Siemens a Charles Wheatstone vytvořili výkonnější a užitečnější dynamo, které místo slabého permanentního magnetu používalo ve statoru elektromagnet s vlastním napájením.
1871 – Zenobe Gramme zažehl komerční revoluci v oblasti elektřiny. Magnetické pole vyplnil železným jádrem, které vytvořilo lepší cestu pro magnetický tok. Tím se zvýšil výkon dynama do té míry, že bylo použitelné pro mnoho komerčních aplikací.
70. léta 19. století – Došlo k explozi nových konstrukcí dynam, konstrukce se pohybovaly v divokém sortimentu, jen některé vynikaly vyšší účinností.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) vyvinul do té doby nejúčinnější a nejspolehlivější konstrukci dynama. Jeho vynález byl prodáván prostřednictvím společnosti Telegraph Supply Company.
1877 – Franklinův institut (Filadelfie) provádí testy dynam z celého světa. Publicita této události podněcuje vývoj dalších osobností, jako jsou Elihu Thomson, lord Kelvin a Thomas Edison.

Nahoře: Edisonova dlouhonohá Mary, komerčně úspěšné dynamo pro jeho stejnosměrné systémy. 1884

1878 – Ganzova společnost začíná používat generátory střídavého proudu v malých komerčních zařízeních v Budapešti. 1880 – Charles F. Brush měl v provozu více než 5000 obloukových lamp, což představovalo 80 % všech lamp na světě. Začala ekonomická síla elektrického věku. 1880-1886 – V Evropě se rozvíjejí systémy střídavého proudu díky Siemensovi, Sabastianu Ferrantimu, Lucienu Gaulardovi a dalším. Na lukrativním americkém trhu kralují stejnosměrná dynama, mnozí jsou skeptičtí k investicím do střídavého proudu. Střídavé generátory byly výkonné, samotný generátor však nebyl největším problémem. Než mohl střídavý proud na trhu konkurovat stejnosměrnému, bylo třeba zdokonalit systémy pro jeho řízení a distribuci. 1886 – Na severoamerickém trhu vynálezci jako William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla a Elihu Thomson vyvinuli vlastní systémy střídavého proudu a návrhy generátorů. Většina z nich používala jako studijní základ generátory Siemens a Ferranti. William Stanley dokázal rychle vynalézt lepší generátor poté, co nebyl spokojen s generátorem Siemens, který použil při svém prvním experimentu.

Nahoře: Siemensovy generátory střídavého proudu používané v Londýně v roce 1885, v USA se Edison zdráhal vrhnout do oblasti střídavého proudu, zatímco v Evropě se technologie rychle rozvíjela.

1886-1891 – Polyfázové generátory střídavého proudu vyvíjejí C. S. Bradly (USA), August Haselwander (Německo), Michail Dolivo-Dobrovskij (Německo/Rusko), Galileo Ferraris (Itálie) a další. Střídavé systémy, které zahrnují lepší řízení a výkonné elektromotory, umožňují střídavému proudu konkurovat.

1891 – Na Mezinárodní elektrotechnické výstavě ve Frankfurtu se třífázový střídavý proud ukázal jako nejlepší systém pro výrobu a rozvod elektrické energie. Třífázový generátor navržený Michailem Dolivo-Dobrovským použitý na výstavě je vidět vlevo. 1892 – Charles P. Steinmetz přednáší na AIEE svůj příspěvek o hysterezi. Steinmetzovo pochopení matematiky střídavého proudu je publikováno a pomáhá revolučním způsobem navrhovat střídavé napájecí systémy, včetně velkých střídavých generátorů. 1890s – Konstrukce generátorů se rychle zlepšuje díky komerčnímu prodeji a dostupným penězům na výzkum. Společnosti Westinghouse, Siemens, Oerlikon a General Electric vyvíjejí nejvýkonnější generátory na světě. Některé generátory fungují i po 115 letech. (Mechanicville, NY)

Nahoře: 1894 Elihu Thomson vyvinul mnoho generátorů střídavého proudu pro General Electric

Pozdější generátor Westinghouse 2000 kW 270 V z doby po roce 1900

3. Videa

Mechanicvillské generátory s vysvětlením historie (1897), navržené mistrem střídavého proudu Charlesem P. Steinmetzem

Westinghousův generátor při konstrukci a zkouškách (1905), navržený Oliverem Shallenbergerem, Teslou a dalšími u Westinghouse.

1895 První výkonné generátory používané ve Folsomu v Kalifornii (navrhli Elihu Thompson, Dr. Louis Bell a další v GE)

1891 Generátor vyrobený firmou Oerlikon pro Mezinárodní elektrotechnickou výstavu (navrhl Dobrovolskij v Německu)

Související témata:

Dieselové elektrické lokomotivy	Transformátory	Historie střídavého proudu
Přenos energie	Elektromotory	Dráty a kabely