Generaattorit ja dynamiikat

Kehitys ja historia komponentti, joka teki sähköstä ensimmäistä kertaa kaupallisesti käyttökelpoista

Dynamiikat ja generaattorit muuttavat mekaanisen pyörimisen sähköenergiaksi.

Dynamo – laite, joka tuottaa sähköenergiaksi tasasähköä sähkömagnetismia käyttäen. Se tunnetaan myös nimellä generaattori, mutta termi generaattori viittaa yleensä ”vaihtovirtageneraattoriin”, joka tuottaa vaihtovirtaa.

GENERAATTORI – tavallisesti tätä termiä käytetään kuvaamaan vaihtovirtageneraattoria, joka luo vaihtovirtavirtaa sähkömagnetismin avulla.

Generaattorit, dynamiot ja akut ovat kolme välinettä, joita tarvitaan huomattavien sähkömäärien luomiseen/varastointiin ihmisten käyttöön. Akut on saatettu keksiä jo 248 eaa. Ne yksinkertaisesti käyttävät kemiallisia reaktioita sähkön tuottamiseen ja varastointiin. Tutkijat kokeilivat akkua keksiessään varhaisen hehkulampun, sähkömoottorit ja -junat sekä tieteelliset testit. Akut eivät kuitenkaan olleet luotettavia tai kustannustehokkaita säännölliseen sähkökäyttöön, vaan vasta dynamo muutti sähkön radikaalisti kuriositeetista kannattavaksi ja luotettavaksi teknologiaksi.

1. Miten se toimii
2. Dynamojen ja generaattoreiden lyhyt historia
3. Videoita generaattoreista

1.) Miten se toimii:

Perusasiat:

Ensin tarvitaan mekaaninen voimanlähde, kuten turbiini (joka saa voimansa veden putoamisesta), tuuliturbiini, kaasuturbiini tai höyryturbiini. Akseli jostakin näistä laitteista liitetään generaattoriin tehon tuottamiseksi.

Dynamot ja generaattorit toimivat sähkömagnetismin villien monimutkaisten ilmiöiden avulla. Sähkömagnetismin käyttäytymisen, sen kenttien ja vaikutusten ymmärtäminen on laaja tutkimuskohde. On syy, miksi kesti 60 vuotta Voltan ensimmäisen akun jälkeen saada kunnon tehokas dynamo toimimaan. Pidämme asiat yksinkertaisina, jotta pääsemme helpommin tutustumaan mielenkiintoiseen aiheeseen eli sähköntuotantoon.

Periaatteessa generaattori/dynamo on yksi magneetti, joka pyörii toisen magneetin magneettikentän vaikutuksen alaisena. Magneettikenttää ei voi nähdä, mutta sitä havainnollistetaan usein vuoviivojen avulla. Yllä olevassa kuvassa magneettivuon viivat seuraisivat rautahiutaleiden luomia viivoja.

Generaattori/dynamo koostuu paikallaan olevista magneeteista (staattori), jotka luovat voimakkaan magneettikentän, ja pyörivästä magneetista (roottori), joka vääristää ja leikkaa staattorin magneettivuon linjat. Kun roottori leikkaa magneettivuon linjat, syntyy sähköä.

Mutta miksi?

Faradayn induktiolain mukaan jos otat langan ja liikutat sitä edestakaisin magneettikentässä, kenttä työntää metallissa olevia elektroneja. Kuparissa on 27 elektronia, kaksi viimeistä kiertoradalla olevaa elektronia työntyy helposti seuraavaan atomiin. Tämä elektronien liike on sähkövirtaa.

Katsokaa alla oleva video, jossa näytetään, miten johdossa indusoidaan virtaa:

Jos otat paljon johdinta, kuten kelassa, ja liikutat sitä kentässä, saat aikaan voimakkaamman elektronien ”virtauksen”. Generaattorisi voimakkuus riippuu:

”l”-Johtimen pituus magneettikentässä
”v”-Johtimen nopeus (roottorin nopeus)
”B”-Elektromagneettisen kentän voimakkuus

Voit tehdä laskutoimituksia tämän kaavan avulla: e = B x l x v

Katso video nähdäksesi kaiken tämän havainnollistettuna:

Magneeteista:

Ylhäällä: Yksinkertainen sähkömagneetti, johon viitataan solenoidina. Termi ”solenoidi” kuvaa itse asiassa kierretyn langan luomaa putkimaista muotoa.

Magneetteja ei yleensä valmisteta luonnollisesta magnetiitista tai kestomagneetista (ellei kyseessä ole pieni generaattori), vaan ne ovat kupari- tai alumiinilankaa, joka on kierretty rautasydämen ympärille. Jokaista kelaa on viritettävä jollakin teholla, jotta se muuttuu magneetiksi. Tätä raudan ympärillä olevaa kelaa kutsutaan solenoidiksi. Solenoideja käytetään luonnollisen magnetiitin sijasta, koska solenoidi on PALJON tehokkaampi. Pieni solenoidi voi luoda hyvin voimakkaan magneettikentän.

Yllä: Generaattoreiden johtokelojen on oltava eristettyjä. Generaattorin vikaantuminen johtuu liian korkeaksi nousevista lämpötiloista, jotka johtavat eristyksen rikkoutumiseen ja oikosulkuun rinnakkaisten johtimien välillä. Lisätietoja johdoista >

Termit:
Sähkömagnetismi – sähköisesti varattujen hiukkasten välillä tapahtuvien voimien tutkimus
Roottori – dynamon generaattorin osa, joka pyörii
Armatuuri – sama kuin roottori
Virtaus – magneettikentän voimaviivat, sitä mitataan tiheydellä, SI-yksikkö weber
staattori – generaattorin/dynamon magneetit, jotka eivät liiku, ne luovat paikallaan pysyvän magneettikentän
solenoidi – magneetti, joka on luotu rautaisen/rautasydämen ympärillä olevan lankakelan avulla (solenoidi tarkoittaa teknisesti tämän magneetin muotoa, mutta insinöörit puhuvat solenoidista ja sähkömagneetista vaihdellen.
Kommutaattori – Lue niistä tarkemmin täältä
Momentti – pyörimisliikkeessä vaikuttava voima

Dynamo

Dynamo on vanhempi termi, jota käytetään kuvaamaan generaattoria, joka tuottaa tasasähköä. Tasavirta lähettää elektroneja vain yhteen suuntaan. Yksinkertaisen generaattorin ongelmana on, että roottorin pyöriessä se kääntyy lopulta kokonaan ympäri, jolloin virta kääntyy päinvastaiseksi. Varhaiset keksijät eivät tienneet, mitä tehdä tämän vaihtovirran kanssa, vaihtovirtaa on monimutkaisempi hallita ja suunnitella moottoreita ja valoja varten. Varhaisten keksijöiden oli keksittävä keino ottaa talteen vain generaattorin positiivinen energia, joten he keksivät kommutaattorin. Kommutaattori on kytkin, joka antaa virran kulkea vain yhteen suuntaan.

Katso alla olevalta videolta, miten kommutaattori toimii:

Dynamo koostuu kolmesta pääkomponentista: staattorista, ankkurista ja kommutaattorista.

Harjat ovat osa kommutaattoria, harjojen on johdettava sähköä, kun ne pitävät kosketusta pyörivään ankkuriin. Ensimmäiset harjat olivat varsinaisia pienistä langoista valmistettuja ”lankaharjoja”. Nämä kuluivat helposti ja kehitettiin graafiset palikat tekemään samaa työtä.

Astaattori on kiinteä rakenne, joka tekee magneettikentän, voit tehdä tämän pienessä dynamossa käyttämällä kestomagneettia. Suuret dynamot vaativat sähkömagneetin. Ankkuri koostuu käämityistä kuparikäämeistä, jotka pyörivät staattorin tekemän magneettikentän sisällä. Kun käämit liikkuvat, ne leikkaavat magneettikentän linjat. Näin syntyy sähköpulsseja. Kommutaattoria tarvitaan tasavirran tuottamiseen. Tasavirrassa virta kulkee vain yhteen suuntaan johtimen läpi, mutta ongelmana on se, että dynamon pyörivä ankkuri kääntää virran joka puoli kierrosta, joten kommutaattori on kiertokytkin, joka katkaisee virran syklin käänteisvirtaisen osan ajaksi.

Self excitation:

Koska dynamon magneetit ovat solenoideja, niiden täytyy saada virtaa toimiakseen. Niinpä niiden harjojen lisäksi, jotka ottavat virtaa päävirtapiiriin menevää virtaa, on toinen joukko harjoja, jotka ottavat virtaa ankkurista staattorin magneettien käyttövoimaa varten. Tämä on hienoa, jos dynamo on käynnissä, mutta miten käynnistät dynamon, jos sinulla ei ole käynnistysvirtaa?

Joskus ankkuri säilyttää jonkin verran magneettisuutta rautasydämessä, ja kun se alkaa pyöriä, se tuottaa pienen määrän virtaa, joka riittää herättämään staattorin solenoidit. Jännite alkaa tällöin nousta, kunnes dynamo on täydellä teholla.

Jos ankkurin raudassa ei ole enää magneettisuutta jäljellä, niin usein käytetään akkua herättämään dynamon solenoidit, jotta se saadaan käyntiin. Tätä kutsutaan ”kentän vilkkumiseksi”.

Alempana dynamon kytkentää koskevassa keskustelussa huomaat, miten virta johdetaan solenoidien kautta eri tavalla.

Dynamon johdotukseen on kaksi tapaa: sarjakytkentä ja shunttikytkentä. Katso kaaviot oppiaksesi eron.

Alhaalla video pienestä yksinkertaisesta dynamosta, joka on samanlainen kuin yllä olevissa kaavioissa (rakennettu 1890-luvulla):

GENERAATTORI

GENERAATTORI eroaa dynamosta siinä, että se tuottaa vaihtovirtaa. Vaihtovirrassa elektronit virtaavat molempiin suuntiin. Vasta 1890-luvulla insinöörit olivat keksineet, miten suunnitella tehokkaita moottoreita, muuntajia ja muita laitteita, jotka pystyivät käyttämään vaihtovirtaa tavalla, joka voisi kilpailla tasavirran kanssa.

Vaihtovirtageneraattorissa käytetään kommutaattoreita, kun taas generaattorissa käytetään harjoilla varustettua liukurengasta, jolla virta otetaan roottorista. Liukurenkaaseen on kiinnitetty grafiitti- tai hiiliharjat, jotka ovat jousikuormitettuja ja työntävät harjan renkaaseen. Tämä pitää virran jatkuvasti virtaavana. Harjat kuluvat ajan mittaan ja ne on vaihdettava.

Alhaalla video liukurenkaista ja harjoista, monia esimerkkejä vanhasta uuteen:

Grammen ajoista 1860-luvulta lähtien oli tajuttu, että paras tapa rakentaa dynamo/generaattori oli järjestää magneettikäämit leveän ympyrän ympärille, jossa oli leveä pyörivä ankkuri. Tämä näyttää erilaiselta kuin yksinkertaiset pienet dynamiot, joita käytetään laitteiden toiminnan opettamisessa.

Oheisessa kuvassa näkyy selvästi yksi kela ankkurissa (loput poistettiin huoltoa varten) ja muita staattoriin rakennettuja keloja.

1890-luvulta tähän päivään asti kolmivaiheinen vaihtovirta on ollut vakiovirran muoto. Kolmivaiheisuus on tehty generaattorin rakenteen kautta.

Kolmivaiheisen generaattorin tekeminen edellyttää, että staattoriin ja ankkuriin sijoitetaan tietty määrä magneetteja, jotka kaikki ovat oikeassa etäisyydessä toisistaan. Sähkömagnetismi on yhtä monimutkaista kuin aaltojen ja veden käsittely, joten sinun on osattava hallita kenttää suunnittelun avulla. Ongelmia ovat muun muassa se, että magneettisi vetää epätasaisesti puoleensa rautasydäntä, väärät laskelmat magneettikentän vääristymisestä (mitä nopeammin se pyörii, sitä enemmän kenttä vääristyy), vääränlainen vastus ankkurikäämissä ja lukemattomia muita mahdollisia ongelmia.

Miksi 3-vaiheinen?Jos haluat tietää lisää vaiheista ja siitä, miksi käytämme 3-vaihetta, katso videomme, jossa on mukana voimansiirron edelläkävijä Lionel Bartholdin kanssa.

2.) Dynamojen ja generaattoreiden lyhyt historia:

Generaattori kehittyi Michael Faradayn ja Joseph Henryn 1820-luvulla tekemästä työstä. Kun nämä kaksi keksijää löysivät ja dokumentoivat sähkömagneettisen induktion ilmiön, se johti muiden kokeiluihin sekä Euroopassa että Pohjois-Amerikassa.

1832 – Hippolyte Pixii (Ranska) rakensi ensimmäisen dynamon, jossa käytettiin kommutaattoria; hänen mallinsa loi sähköpulsseja, joiden välillä ei ollut virtaa. Hän loi myös vahingossa ensimmäisen vaihtovirtageneraattorin. Hän ei tiennyt mitä tehdä vaihtuvalla virralla, hän keskittyi yrittämään poistaa vaihtovirran saadakseen tasasähköä, tämä johti hänet kommutaattorin luomiseen.
1830-1860-luku – Paristo on edelleen tehokkain tapa toimittaa sähköä erilaisiin kokeiluihin, joita tuona aikana tehtiin. Sähkö ei ollut vielä kaupallisesti kannattavaa. Akkukäyttöinen sähköjuna Washington DC:stä Baltimoreen epäonnistui, mikä osoittautui törkeäksi häpeäksi uudelle sähköalalle. Kun miljoonia dollareita oli tuhlattu, höyry osoittautui edelleen paremmaksi voimanlähteeksi. Sähkön piti vielä osoittautua luotettavaksi ja kaupallisesti kannattavaksi.
1860 – Antonio Pacinotti- loi dynamon, joka tuotti jatkuvaa tasavirtaa.
1867 – Werner Von Siemens ja Charles Wheatstone loivat tehokkaamman ja käyttökelpoisemman dynamon, joka käytti staattorissa itsekäyttöistä sähkömagneettia heikon kestomagneetin sijasta.
1871 – Zenobe Gramme sytytti sähkön kaupallisen vallankumouksen. Hän täytti magneettikentän rautasydämellä, joka teki magneettivuolle paremman reitin. Tämä lisäsi dynamon tehoa siihen pisteeseen, että se oli käyttökelpoinen monissa kaupallisissa sovelluksissa.
1870-luku – Dynamoissa oli räjähdysmäinen määrä uusia malleja, mallit vaihtelivat villisti, vain muutama erottui ylivoimaisen tehokkaana.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) kehitti tehokkaimman ja luotettavimman dynamon mallin siihen mennessä. Hänen keksintönsä myytiin Telegraph Supply Companyn kautta.
1877 – Franklin-instituutti (Philadelphia) testaa dynamiineja ympäri maailmaa. Tapahtuman saama julkisuus vauhdittaa muiden, kuten Elihu Thomsonin, lordi Kelvinin ja Thomas Edisonin, kehitystyötä.

Yllä: Edisonin Long Legged Mary, kaupallisesti menestyksekäs tasavirtajärjestelmien dynamo 1884

1878 – Ganz Company alkaa käyttää vaihtovirtageneraattoreita pienissä kaupallisissa laitteistoissa Budapestissa. 1880 – Charles F. Brushilla oli toiminnassa yli 5000 kaarivalaisinta, jotka edustivat 80:tä prosenttia kaikista lampuista maailmassa. Sähköaikakauden taloudellinen voima oli alkanut. 1880-1886 – Vaihtovirtajärjestelmät kehittyvät Euroopassa Siemensin, Sebastian Ferrantin, Lucien Gaulardin ja muiden myötä. Tasavirtadynamot hallitsevat tuottoisia Amerikan markkinoita, monet suhtautuvat epäilevästi vaihtovirtaan investoimiseen. Vaihtovirtageneraattorit olivat tehokkaita, mutta generaattori yksinään ei ollut suurin ongelma. Vaihtovirran ohjaus- ja jakelujärjestelmiä oli parannettava, ennen kuin se voisi kilpailla tasavirran kanssa markkinoilla. 1886 – Pohjois-Amerikan markkinoilla keksijät, kuten William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla ja Elihu Thomson kehittävät omia vaihtovirtajärjestelmiä ja generaattorimallejaan. Useimmat heistä käyttivät Siemens- ja Ferranti-generaattoreita tutkimustensa pohjana. William Stanley keksi nopeasti paremman generaattorin oltuaan tyytymätön Siemensin generaattoriin, jota hän käytti ensimmäisessä kokeilussaan.

Yllä: Siemensin vaihtovirtageneraattorit käytössä Lontoossa 1885, Yhdysvalloissa Edison oli haluton hyppäämään vaihtovirta-alalle, kun taas Euroopassa tekniikka kehittyi nopeasti.

1886-1891 – Monivaiheisia vaihtovirtageneraattoreita kehittävät C.S. Bradly (USA), August Haselwander (Saksa), Mihail Dolivo-Dobrovski (Saksa/Venäjä), Galileo Ferraris (Italia) ja muut. Paremman ohjauksen ja tehokkaat sähkömoottorit sisältävien vaihtovirtajärjestelmien ansiosta vaihtovirta pystyy kilpailemaan.

1891 – Kolmivaiheinen vaihtovirta osoittautuu parhaaksi sähköntuotanto- ja -jakelujärjestelmäksi Frankfurtin kansainvälisessä sähköteknisessä näyttelyssä. Vasemmalla näkyy Mihail Dolivo-Dobrovskyn suunnittelema kolmivaihegeneraattori, jota käytettiin näyttelyssä. 1892 – Charles P. Steinmetz esittelee AIEE:lle esitelmänsä hystereesistä. Steinmetzin ymmärrys vaihtovirran matematiikasta julkaistaan, ja se auttaa mullistamaan vaihtovirtajärjestelmien suunnittelun, mukaan lukien suuret vaihtovirtageneraattorit. 1890-luku – Generaattorien suunnittelu paranee nopeasti kaupallisen myynnin ja tutkimukseen käytettävissä olevan rahan ansiosta. Westinghouse, Siemens, Oerlikon ja General Electric kehittävät maailman tehokkaimmat generaattorit. Jotkut generaattorit toimivat yhä 115 vuotta myöhemmin. (Mechanicville, NY)

Yllä: 1894 Elihu Thomson kehitti monia vaihtovirtageneraattoreita General Electricille

Myöhemmin Westinghousen 2000 kW 270 voltin generaattori vuodelta 1900 jälkeen

3. Videot

Mechanicvillen generaattorit, joiden historia selitetään (1897), suunnittelija vaihtovirtageneraattori Charles P. Steinmetz

Westinghousen generaattoria rakennetaan ja testataan (1905), suunnittelija Oliver Shallenberger, Tesla ja muut Westinghousessa.

1895 Varhaiset tehokkaat generaattorit, joita käytettiin Folsomissa, Kaliforniassa (suunnitelleet Elihu Thompson, tohtori Louis Bell ja muut GE:llä)

1891 Generaattori, jonka Oerlikon valmisti kansainväliseen sähkötekniseen näyttelyyn (suunnitellut Dobrovolsky Saksassa)

Seuraavia aiheita:

Diesel-sähköveturit	Transformaattorit	Vaihtosähkövoiman historiaa
Sähkönsiirto	Sähkömoottorit	Johdot ja kaapelit