Generatorer og dynamoer

Udvikling og historie af den komponent, der først gjorde elektricitet kommercielt mulig

Dynamoer og generatorer omdanner mekanisk rotation til elektrisk strøm.

Dynamo – en anordning, der skaber elektrisk strøm med jævnstrøm ved hjælp af elektromagnetisme. Den er også kendt som en generator, men udtrykket generator henviser normalt til en “generator”, som skaber vekselstrømskraft.

Generator – normalt anvendes dette udtryk til at beskrive en generator, der skaber vekselstrøm ved hjælp af elektromagnetisme.

Generatorer, dynamoer og batterier er de tre redskaber, der er nødvendige for at skabe/lagre betydelige mængder elektricitet til menneskelig brug. Batterier kan være blevet opdaget så tidligt som 248 f.Kr. De bruger simpelthen en kemisk reaktion til at skabe og lagre elektricitet. Videnskabsfolk eksperimenterede med batteriet for at opfinde den første glødelampe, elektriske motorer og tog samt videnskabelige forsøg. Batterier var imidlertid ikke pålidelige eller omkostningseffektive til regelmæssig elektrisk brug, og det var dynamoen, der radikalt ændrede elektricitet fra en kuriositet til en rentabel og pålidelig teknologi.

1. Hvordan det virker
2. Kort historie om dynamoer og generatorer
3. Videoer af generatorer

1.) Sådan fungerer det:

Grundlæggende:

Først skal du bruge en mekanisk energikilde som f.eks. en turbine (drevet af faldende vand), vindturbine, gasturbine eller dampturbine. En aksel fra en af disse enheder forbindes med en generator for at lave strøm.

Dynamoer og generatorer fungerer ved hjælp af elektromagnetismens vildt komplekse fænomener. Forståelse af elektromagnetismens adfærd, dens felter og dens virkninger er et stort emne for studier. Der er en grund til, at det tog 60 år EFTER Volta’s første batteri at få en god kraftig dynamo til at fungere. Vi vil holde tingene enkle for at hjælpe dig med at introducere dig til det interessante emne om elproduktion.

I den mest grundlæggende forstand er en generator/dynamo en magnet, der roterer, mens den er under indflydelse af en anden magnet’s magnetfelt. Man kan ikke se et magnetfelt, men det illustreres ofte ved hjælp af fluxlinjer. I illustrationen ovenfor ville linjerne af magnetisk flux følge de linjer, der er skabt af jernspånerne.

Generatoren/dynamoen består af stationære magneter (stator), som skaber et kraftigt magnetfelt, og en roterende magnet (rotor), som forvrænger og gennemskærer statorens magnetiske fluxlinjer. Når rotoren skærer gennem linjerne af magnetisk flux, skaber den elektricitet.

Men hvorfor?

Som følge af Faradays lov om induktion, hvis man tager en ledning og bevæger den frem og tilbage i et magnetfelt, skubber feltet på elektronerne i metallet. Kobber har 27 elektroner, de sidste to i kredsløbet skubbes let videre til det næste atom. Denne bevægelse af elektroner er elektrisk strøm.

Se videoen nedenfor, der viser, hvordan strøm induceres i en ledning:

Hvis du tager en masse ledning, f.eks. i en spole, og flytter den i feltet, skaber du en kraftigere “strøm” af elektroner. Styrken af din generator afhænger af:

“l”-Længde af lederen i magnetfeltet
“v”-Lederens hastighed (rotorens hastighed)
“B”-Styrken af det elektromagnetiske felt

Du kan foretage beregninger ved hjælp af denne formel: e = B x l x v

Se videoen for at se alt dette demonstreret:

Om magneterne:

Ovenfor: en simpel elektromagnet, der betegnes som en solenoide. Udtrykket “solenoide” beskriver faktisk den rørform, som den oprullede tråd skaber.

Magneterne er normalt ikke lavet af naturlig magnetit eller en permanent magnet (medmindre der er tale om en lille generator), men de er kobber- eller aluminiumtråd oprullet omkring en jernkerne. Hver spole skal tilføres noget energi for at gøre den til en magnet. Denne spole omkring jern kaldes en solenoid. Solenoider anvendes i stedet for naturlig magnetit, fordi solenoiden er MEGET kraftigere. En lille solenoide kan skabe et meget stærkt magnetfelt.

Overst: Spolerne af tråd i generatorerne skal være isolerede. Generatorfejl skyldes, at temperaturen stiger for højt, hvilket resulterer i et sammenbrud af isoleringen og en kortslutning mellem til parallelle ledninger. Få mere at vide om ledninger >

Termer:
Elektromagnetisme – undersøgelse af kræfter, der sker mellem elektrisk ladede partikler
Rotor – del af generatoren i dynamo, der roterer
Armatur – det samme som en rotor
Flux – styrkelinjerne i et magnetfelt, det måles i densitet, SI-enhed af weber
Stator – magneter i en generator/dynamo, der ikke bevæger sig, de etablerer det stationære magnetfelt
Solenoid – en magnet skabt af en trådspole omkring en jern/ferris-kerne (solenoid betyder teknisk set formen af denne magnet, men ingeniører henviser til solenoid og elektromagnet i flæng.
Kommutator – Lær mere detaljeret om dem her
Moment – kraft i en roterende bevægelse

Dynamoen

Dynamo er en ældre betegnelse, der bruges til at beskrive en generator, der laver jævnstrømskraft. Jævnstrøm sender elektroner kun i én retning. Problemet med en simpel generator er, at når rotoren roterer, drejer den til sidst helt rundt og vender strømmen om. De tidlige opfindere vidste ikke, hvad de skulle gøre med denne vekselstrøm, og vekselstrøm er mere kompleks at styre og designe motorer og lys til. De tidlige opfindere måtte finde en måde, hvorpå de kun kunne opfange den positive energi fra generatoren, så de opfandt en kommutator. Kommutatoren er en kontakt, der gør det muligt for strømmen kun at løbe i én retning.

Se videoen nedenfor for at se, hvordan kommutatoren fungerer:

Dynamoen består af 3 hovedkomponenter: statoren, ankeret og kommutatoren.

Børsterne er en del af kommutatoren, børsterne skal lede elektricitet, da de holder kontakt med den roterende anker. De første børster var egentlige trådbørster, der var lavet af små ledninger. Disse blev let slidt op, og man udviklede grafiske blokke til at udføre det samme arbejde.

Statoren er en fast struktur, der laver magnetfeltet, man kan gøre dette i en lille dynamo ved hjælp af en permanent magnet. Store dynamoer kræver en elektromagnet. Armaturet er lavet af spolerede kobberviklinger, som roterer inden for det magnetfelt, som statoren skaber. Når viklingerne bevæger sig, skærer de gennem linjerne i magnetfeltet. Dette skaber impulser af elektrisk strøm. Kommutatoren er nødvendig for at producere jævnstrøm. I jævnstrøm strømmer strømmen kun i én retning gennem en ledning, problemet er, at den roterende anker i en dynamo vender strømmen hver halve omgang, så kommutatoren er en drejekontakt, der afbryder strømmen i den del af cyklussen, hvor strømmen vender, og som afbryder strømmen i den del af cyklussen, hvor strømmen vender.

Selvopspænding:

Da magneterne i en dynamo er solenoider, skal de have strøm for at fungere. Så ud over de børster, der aftager strøm til at gå ud til hovedkredsløbet, er der et andet sæt børster, der tager strøm fra ankeret for at drive statorens magneter. Det er fint nok, hvis dynamoen kører, men hvordan starter man en dynamo, hvis man ikke har strøm til at starte?

Sommetider bevarer ankeret noget magnetisme i jernkernen, og når det begynder at dreje, giver det en lille mængde strøm, nok til at excitere solenoiderne i statoren. Spændingen begynder derefter at stige, indtil dynamoen er på fuld kraft.

Hvis der ikke er nogen magnetisme tilbage i ankerets jern, så bruges der ofte et batteri til at excitere solenoiderne i dynamoen for at få den i gang. Dette kaldes “field flashing”.

Nedenfor i diskussionen om ledningsføring af dynamoen vil du bemærke, hvordan strømmen ledes forskelligt gennem solenoiderne.

Der er to måder at tilslutte en dynamo på: serieviklet og shuntviklet. Se diagrammerne for at lære forskellen.

Nedenfor ses video af en lille simpel dynamo svarende til diagrammerne ovenfor (bygget i 1890’erne):

Generatoren

Generatoren adskiller sig fra dynamoen ved, at den producerer vekselstrøm. Elektroner strømmer i begge retninger i vekselstrøm. Det var først i 1890’erne, at ingeniører havde fundet ud af at konstruere kraftige motorer, transformatorer og andre apparater, som kunne bruge vekselstrøm på en måde, der kunne konkurrere med jævnstrøm.

Mens vekselstrømsgeneratoren bruger kommutatorer, bruger generatoren en slipring med børster til at aftage strømmen fra rotoren. På slipringen er der påmonteret “børster” af grafit eller kulstof, som er fjederbelastet for at skubbe børsten på ringen. Dette holder strømmen konstant i gang. Børsterne bliver slidt med tiden og skal udskiftes.

Nedenfor, video om slipringe og børster, mange eksempler fra gammelt til nyt:

Siden Grammes tid i 1860’erne har man fundet ud af, at den bedste måde at bygge en dynamo/generator på var at arrangere magnetspoler omkring en bred cirkel med en bred snurrende armatur. Dette ser anderledes ud end de enkle små dynamoeksempler, som man ser brugt i undervisningen i, hvordan apparaterne fungerer.

På billedet nedenfor kan du tydeligt se én spole på ankeret (resten blev fjernet til service) og andre spoler indbygget i statoren.

Fra 1890’erne og frem til i dag har 3-faset vekselstrøm været standardformen af strøm. Tre faser er lavet gennem konstruktionen af generatoren.

For at lave en trefaset generator skal du placere et bestemt antal magneter på din stator og armatur, alle med den rette afstand mellem dem. Elektromagnetisme er lige så kompleks som at have med bølger og vand at gøre, så du skal vide, hvordan du styrer feltet gennem dit design. Problemerne omfatter, at din magnet tiltrækkes ujævnt af jernkernen, ukorrekte beregninger af forvrængningen af magnetfeltet (jo hurtigere den drejer, jo mere forvrænges feltet), uhensigtsmæssig modstand i ankerspolerne og et utal af andre potentielle problemer.

Hvorfor 3-faset? hvis du vil vide mere om faser, og hvorfor vi bruger 3-faset, kan du se vores video med eltransmissionspioneren Lionel Barthold.

2.) En kort historie om dynamoer og generatorer:

Generatoren er opstået på baggrund af Michael Faradays og Joseph Henrys arbejde i 1820’erne. Da disse to opfindere opdagede og dokumenterede fænomenet elektromagnetisk induktion, førte det til eksperimenter fra andre i både Europa og Nordamerika.

1832 – Hippolyte Pixii (Frankrig) byggede den første dynamo ved hjælp af en kommutator, og hans model skabte impulser af elektricitet, der ikke var adskilt af nogen strøm. Han skabte også ved et uheld den første vekselstrømsgenerator. Han vidste ikke, hvad han skulle gøre med den skiftende strøm, han koncentrerede sig om at forsøge at fjerne vekselstrømmen for at få jævnstrøm, hvilket førte til, at han skabte kommutatoren.
1830’erne-1860’erne – Batteriet er stadig den mest kraftfulde måde at levere elektricitet på i forbindelse med de forskellige eksperimenter, der foregår i den periode. Elektricitet var stadig ikke kommercielt rentabelt. Et batteridrevet elektrisk tog fra Washington DC til Baltimore mislykkedes, hvilket viste sig at være en stor forlegenhed for det nye område for elektricitet. Efter at have spildt millioner af dollars viste damp sig stadig at være en bedre energikilde. Elektricitet skulle stadig vise sig at være pålidelig og kommercielt levedygtig.
1860 – Antonio Pacinotti – skabte en dynamo, der leverede kontinuerlig jævnstrøm
1867 – Werner Von Siemens og Charles Wheatstone skabte en kraftigere og mere nyttig dynamo, der brugte en selvdreven elektromagnet i statoren i stedet for den svage permanentmagnet.
1871 – Zenobe Gramme udløste den kommercielle revolution inden for elektricitet. Han fyldte det magnetiske felt med en jernkerne, som gjorde en bedre vej for den magnetiske strøm. Dette øgede dynamoens effekt til det punkt, hvor den kunne anvendes til mange kommercielle formål.
1870’erne – Der var en eksplosion af nye dynamodesigns, der var et vildt udvalg af designs, men kun nogle få skilte sig ud som værende overlegne i effektivitet.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) udviklede det mest effektive og pålidelige dynamodesign nogensinde til dato. Hans opfindelser blev solgt gennem Telegraph Supply Company.
1877 – Franklin Institute (Philadelphia) gennemfører test af dynamoer fra hele verden. Offentligheden fra denne begivenhed ansporer udvikling af andre som Elihu Thomson, Lord Kelvin og Thomas Edison.

Overst: Edisons Long Legged Mary, en kommercielt succesfuld dynamo til hans jævnstrømssystemer 1884

1878 – Ganz Company begynder at bruge vekselstrømsgeneratorer i små kommercielle installationer i Budapest. 1880 – Charles F. Brush havde over 5000 buelamper i drift, hvilket repræsenterede 80 procent af alle lamper i hele verden. Den elektriske tidsalders økonomiske magt var begyndt. 1880-1886 – Vekselstrømsanlæg udvikles i Europa med Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard og andre. DC-dynamoer hersker på det lukrative amerikanske marked, mange er skeptiske over for at investere i vekselstrøm. AC-generatorer var kraftige, men generatoren alene var ikke det største problem. Systemerne til styring og distribution af vekselstrøm skulle forbedres, før den kunne konkurrere med jævnstrøm på et marked. 1886 – På det nordamerikanske marked udvikler opfindere som William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla og Elihu Thomson deres egne vekselstrømssystemer og generatorkonstruktioner. De fleste af dem brugte Siemens- og Ferranti-generatorer som grundlag for deres studier. William Stanley var hurtigt i stand til at opfinde en bedre generator, efter at han var utilfreds med den Siemens-generator, han brugte i sit første eksperiment.

Overst: Siemens vekselstrømsgeneratorer anvendt i London i 1885, i USA var Edison tilbageholdende med at kaste sig ud i vekselstrøm, mens teknologien i Europa udviklede sig hurtigt.

1886-1891 – Flerfasede vekselstrømsgeneratorer udvikles af C.S. Bradly (USA), August Haselwander (Tyskland), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Tyskland/Rusland), Galileo Ferraris (Italien) og andre. AC-systemer, der omfatter bedre styring og kraftige elmotorer, gør det muligt for AC at konkurrere.

1891 – Trefaset vekselstrøm viser sig at være det bedste system til elproduktion og -distribution på den internationale elektrotekniske udstilling i Frankfurt. Den trefasede generator designet af Mikhail Dolivo-Dobrovsky, der blev anvendt på udstillingen, ses til venstre. 1892 – Charles P. Steinmetz fremlægger sit papir om hysterese for AIEE. Steinmetz’ forståelse af matematikken i vekselstrøm offentliggøres og er med til at revolutionere designet af vekselstrømssystemer, herunder store vekselstrømsgeneratorer. 1890’erne – Generatordesignet forbedres hurtigt takket være kommercielt salg og tilgængelige penge til forskning. Westinghouse, Siemens, Oerlikon og General Electric udvikler verdens mest kraftfulde generatorer. Nogle generatorer fungerer stadig 115 år senere. (Mechanicville, NY)

Overst: 1894 Elihu Thomson udviklede mange vekselstrømsgeneratorer for General Electric

En senere Westinghouse 2000 kW 270 Volt generator på 2000 kW fra efter 1900

3. Videoer

Mechanicville-generatorer med historie forklaret (1897), designet af AC-mester Charles P. Steinmetz

Westinghouse-generator under konstruktion og afprøvning (1905), designet af Oliver Shallenberger, Tesla og andre hos Westinghouse.

1895 Tidlige kraftige generatorer anvendt i Folsom, CA (konstrueret af Elihu Thompson, Dr. Louis Bell og andre hos GE)

1891 Generator produceret af Oerlikon til den internationale elektro-tekniske udstilling (konstrueret af Dobrovolsky i Tyskland)

Relaterede emner:

Dieselelektriske lokomotiver	Transformatorer	Virkningshistorie
Krafttransmission	Elektromotorer	Strøm og kabler