Generátorok és dinamók

A villamos energiát először kereskedelmi forgalomba hozó alkatrész fejlődése és története

A dinamók és generátorok a mechanikus forgást elektromos energiává alakítják át.

Dinamó – olyan eszköz, amely az elektromágnesesség segítségével egyenáramú villamos energiát állít elő. Generátornak is nevezik, azonban a generátor kifejezés általában a “generátorra” utal, amely váltakozó áramú áramot állít elő.

Generátor – általában ezt a kifejezést olyan generátorra használják, amely váltakozó áramú áramot hoz létre elektromágnesesség segítségével.

A generátor, a dinamó és az akkumulátor az a három eszköz, amely ahhoz szükséges, hogy jelentős mennyiségű villamos energiát hozzunk létre/tároljunk emberi használatra. Az akkumulátorokat már i. e. 248-ban felfedezhették. Egyszerűen kémiai reakciót használnak az elektromosság előállítására és tárolására. A tudósok kísérleteztek az akkumulátorral, hogy feltalálják a korai izzólámpát, az elektromos motorokat és vonatokat, valamint a tudományos teszteket. Az akkumulátorok azonban nem voltak megbízhatóak vagy költséghatékonyak semmilyen rendszeres elektromos használatra, a dinamó volt az, amely az elektromosságot kuriózumból gyökeresen jövedelmező, megbízható technológiává változtatta.

1. Hogyan működik
2. A dinamók és a generátorok rövid története
3. A generátorokról készült videók

1.) Hogyan működik:

Az alapok:

Először is szükség van egy mechanikus erőforrásra, mint például egy turbina (vízesés által hajtott), szélturbina, gázturbina vagy gőzturbina. Ezen eszközök valamelyikének tengelye egy generátorhoz csatlakozik, hogy energiát termeljen.

A dinamók és a generátorok az elektromágnesesség vad, összetett jelenségeinek felhasználásával működnek. Az elektromágnesesség viselkedésének, mezőinek és hatásainak megértése nagy tanulmányi terület. Nem véletlen, hogy Volta első akkumulátora után 60 év kellett ahhoz, hogy egy jó erős dinamó működjön. Egyszerűnek fogjuk tartani a dolgokat, hogy segítsünk bevezetni az energiatermelés érdekes témájába.

A legalapvetőbb értelemben a generátor/dinamó egy mágnes, amely egy másik mágnes mágneses terének hatása alatt forog. A mágneses mezőt nem lehet látni, de gyakran a fluxusvonalakkal szemléltetik. A fenti ábrán a mágneses fluxusvonalak a vasreszelék által létrehozott vonalakat követik.

A generátor/dinamó álló mágnesekből (állórész) áll, amelyek erős mágneses teret hoznak létre, és egy forgó mágnesből (rotor), amely eltorzítja és átvágja az állórész mágneses fluxusvonalait. Amikor a rotor átvágja a mágneses fluxusvonalakat, elektromosságot termel.

De miért?

A Faraday-féle indukciós törvénynek köszönhetően, ha fogunk egy vezetéket, és előre-hátra mozgatjuk a mágneses térben, a mező nyomja a fémben lévő elektronokat. A réznek 27 elektronja van, a pályán lévő utolsó kettő könnyen továbblökődik a következő atomra. Az elektronoknak ez a mozgása az elektromos áramlás.

Az alábbi videón látható, hogyan indukálódik áram egy drótban:

Ha sok drótot veszünk, például egy tekercsben, és azt mozgatjuk a mezőben, akkor az elektronok erősebb “áramlását” hozzuk létre. A generátorod erőssége függ:

“l”-A vezető hossza a mágneses térben
“v”-A vezető sebessége (a rotor sebessége)
“B”-Az elektromágneses tér erőssége

Ezzel a képlettel számításokat végezhetsz: e = B x l x v

Nézd meg a videót, hogy mindezt demonstrálva lásd:

A mágnesekről:

Fentebb: egy egyszerű elektromágnes, amelyet szolenoidnak neveznek. A “szolenoid” kifejezés valójában a feltekert huzal által létrehozott cső alakot írja le.

A mágnesek általában nem természetes magnetitből vagy állandó mágnesből készülnek (kivéve, ha kis generátorról van szó), hanem egy vasmag köré tekert réz- vagy alumíniumhuzalból állnak. Minden tekercset valamilyen energiával kell táplálni, hogy mágnessé váljon. Ezt a vas körüli tekercset szolenoidnak nevezik. A szolenoidokat természetes magnetit helyett használják, mert a szolenoid sokkal erősebb. Egy kis szolenoid nagyon erős mágneses mezőt tud létrehozni.

Fentebb: A generátorok huzaltekercseit szigetelni kell. A generátorok meghibásodását a túl magasra emelkedő hőmérséklet okozza, ami a szigetelés meghibásodását és a párhuzamos huzalok közötti rövidzárlatot eredményezi. Tudjon meg többet a vezetékekről >

Term:
Elektromágnesesség – az elektromosan töltött részecskék között fellépő erők tanulmányozása
Rotor – a dinamó generátorának forgó része
Armatúra – ugyanaz, mint a rotor
Fluxus – a mágneses tér erővonalai, sűrűségben mérik, SI mértékegysége a weber
Státor – a generátorban/dinamóban lévő mágnesek, amelyek nem mozognak, ezek hozzák létre az álló mágneses teret
Solenoid – egy vas/vasmag köré tekert dróttekercs által létrehozott mágnes (a solenoid technikailag ennek a mágnesnek az alakját jelenti, de a mérnökök a solenoidot és az elektromágnest felváltva említik.
Kommutátor – Részletesebben itt olvashat róluk
Momentum – egy forgó mozgásban fellépő erő

A dinamó

A dinamó egy régebbi kifejezés, amelyet az egyenáramú áramot előállító generátorok leírására használnak. Az egyenáram az elektronokat csak egy irányba küldi. Az egyszerű generátorral az a probléma, hogy amikor a rotor forog, végül teljesen megfordul, megfordítva az áramot. A korai feltalálók nem tudtak mit kezdeni ezzel a váltakozó árammal, a váltakozó áramot bonyolultabb szabályozni és motorokat és lámpákat tervezni hozzá. A korai feltalálóknak ki kellett találniuk, hogyan lehet csak a generátor pozitív energiáját megragadni, ezért feltalálták a kommutátort. A kommutátor egy olyan kapcsoló, amely lehetővé teszi, hogy az áram csak egy irányba folyjon.

Az alábbi videón láthatod, hogyan működik a kommutátor:

A dinamó 3 fő komponensből áll: az állórészből, az armatúrából és a kommutátorból.

A kommutátor részei a kefék, a keféknek vezetniük kell az áramot, mivel érintkeznek a forgó armatúrával. Az első kefék kis drótokból készült tényleges drót “kefék” voltak. Ezek könnyen elhasználódtak, és kifejlesztették a grafikus blokkokat, amelyek ugyanazt a munkát végzik.

Az állórész egy fix szerkezet, amely mágneses mezőt hoz létre, ezt egy kis dinamóban egy állandó mágnes segítségével lehet megtenni. A nagy dinamókhoz elektromágnesre van szükség. Az armatúra tekercselt réztekercsekből áll, amelyek az állórész által létrehozott mágneses mezőben forognak. Amikor a tekercsek mozognak, átvágják a mágneses mező vonalait. Ez elektromos impulzusokat hoz létre. A kommutátorra az egyenáram előállításához van szükség. Az egyenáramban az áram csak egy irányban áramlik a vezetéken keresztül, a probléma az, hogy a dinamóban a forgó armatúra minden félfordulatnál megfordítja az áramot, ezért a kommutátor egy forgókapcsoló, amely a ciklus fordított áramú része alatt megszakítja az áramot.

Öngerjesztés:

Mivel a dinamóban lévő mágnesek szolenoidok, a működésükhöz áramot kell kapniuk. Tehát a kefék mellett, amelyek megcsapolják az áramot, hogy kimenjen a főáramkörbe, van egy másik kefecsoport, amely áramot vesz el az armatúrából, hogy az állórész mágneseit táplálja. Ez rendben van, ha a dinamó fut, de hogyan indítunk be egy dinamót, ha nincs áram az indításhoz?

Néha az armatúra megtart némi mágnesességet a vasmagban, és amikor elkezd forogni, kis energiát termel, ami elég ahhoz, hogy az állórészben lévő mágnesszelepeket gerjessze. A feszültség ekkor elkezd emelkedni, amíg a dinamó teljes teljesítményre nem kapcsol.

Ha az armatúra vasában nem maradt mágnesesség, akkor gyakran akkumulátort használnak a dinamóban lévő mágnesszelepek gerjesztésére, hogy beindítsák a dinamót. Ezt nevezik “mezővillogásnak”.

Az alábbiakban a dinamó bekötésének tárgyalásánál észre fogja venni, hogy az áramot másképp vezetik át a szolenoidokon.

A dinamó bekötésének két módja van: soros és söntöltésű. A különbséget lásd az ábrákon.

Az alábbiakban egy, a fenti ábrákhoz hasonló kis egyszerű dinamóról készült videó (az 1890-es években épült):

A generátor

A generátor abban különbözik a dinamótól, hogy váltakozó áramot termel. A váltakozó áramban az elektronok mindkét irányban áramlanak. Csak az 1890-es években jöttek rá a mérnökök, hogyan tervezzenek olyan nagy teljesítményű motorokat, transzformátorokat és más eszközöket, amelyek a váltakozó áramot úgy tudták felhasználni, hogy az felvegye a versenyt az egyenáramú árammal.

Míg a generátor kommutátorokat használ, addig a generátor kefékkel ellátott csúszógyűrűt használ a rotorról történő lecsapoláshoz. A csúszógyűrűhöz grafit vagy szén “kefék” vannak rögzítve, amelyek rugósak, hogy a kefét a gyűrűre nyomják. Így az áram folyamatosan áramlik. A kefék idővel elhasználódnak és cserére szorulnak.

Az alábbiakban a csúszógyűrűk és kefék videója, sok példa a régitől az újig:

Az 1860-as években Gramme óta rájöttek, hogy a dinamó/generátor építésének legjobb módja az, hogy a mágneses tekercseket egy széles kör kör köré rendezik, széles forgó armatúrával. Ez másképp néz ki, mint az egyszerű kis dinamópéldák, amelyeket az eszközök működésének tanításakor használnak.

A lenti képen jól látható egy tekercs az armatúrán (a többit szervizelés céljából eltávolították) és az állórészbe épített többi tekercs.

Az 1890-es évektől napjainkig a 3 fázisú váltakozó áram volt a szabványos áramellátási forma. A három fázis a generátor kialakításán keresztül történik.

Háromfázisú generátor készítéséhez bizonyos számú mágnest kell elhelyezni az állórészen és az armatúrán, mindezt megfelelő távolságban. Az elektromágnesesség ugyanolyan összetett, mint a hullámokkal és a vízzel való foglalkozás, ezért tudnod kell, hogyan szabályozhatod a mezőt a tervezéseden keresztül. A problémák közé tartozik, hogy a mágnesed egyenlőtlenül vonzódik a vasmaghoz, a mágneses mező torzulásának helytelen kiszámítása (minél gyorsabban forog, annál jobban torzul a mező), az armatúra tekercsekben lévő téves ellenállás és számtalan más lehetséges probléma.

Miért 3 fázis? ha többet szeretne tudni a fázisokról és arról, hogy miért használunk 3 fázist, nézze meg videónkat Lionel Bartholddal, az energiaátvitel úttörőjével.

2.). A dinamók és generátorok rövid története:

A generátor Michael Faraday és Joseph Henry 1820-as években végzett munkájából fejlődött ki. Miután ez a két feltaláló felfedezte és dokumentálta az elektromágneses indukció jelenségét, ez mások kísérletezéséhez vezetett mind Európában, mind Észak-Amerikában.

1832 – Hippolyte Pixii (Franciaország) megépítette az első, kommutátorral működő dinamót, modellje áram nélküli impulzusokat hozott létre. Véletlenül megalkotta az első generátort is. Nem tudott mit kezdeni a változó árammal, arra koncentrált, hogy megpróbálja megszüntetni a váltakozó áramot, hogy egyenáramot kapjon, ez vezetett a kommutátor megalkotásához.
1830-1860-as évek – Az akkumulátor még mindig a legerősebb módja az áramellátásnak az ebben az időszakban folyó különböző kísérletekhez. Az elektromosság még mindig nem volt kereskedelmi szempontból életképes. Egy Washington DC-ből Baltimore-ba tartó, akkumulátorral működő elektromos vonat kudarcot vallott, ami durva szégyent hozott az elektromosság új területére. Az elpazarolt dollármilliók után a gőz még mindig jobb energiaforrásnak bizonyult. A villamos energiának még be kellett bizonyítania, hogy megbízható és kereskedelmileg életképes.
1860 – Antonio Pacinotti- Létrehozott egy dinamót, amely folyamatos egyenáramot biztosított
1867 – Werner Von Siemens és Charles Wheatstone egy erősebb, hasznosabb dinamót hozott létre, amely a gyenge állandó mágnes helyett egy önműködő elektromágnest használt az állórészben.
1871 – Zenobe Gramme elindította az elektromosság kereskedelmi forradalmát. A mágneses mezőt vasmaggal töltötte fel, ami jobb utat biztosított a mágneses fluxusnak. Ez megnövelte a dinamó teljesítményét olyannyira, hogy számos kereskedelmi alkalmazásban használhatóvá vált.
1870-es évek – A dinamókban robbanásszerűen megjelentek az új konstrukciók, a konstrukciók vad választékot képviseltek, csak néhányan emelkedtek ki a hatékonyság tekintetében.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) kifejlesztette az addigi leghatékonyabb és legmegbízhatóbb dinamó-konstrukciót. Találmányát a Telegraph Supply Company-n keresztül értékesítette.
1877 – A Franklin Intézet (Philadelphia) a világ minden tájáról származó dinamókon végez vizsgálatot. Ennek az eseménynek a nyilvánossága olyanok fejlesztését ösztönzi, mint Elihu Thomson, Lord Kelvin és Thomas Edison.

Fentebb: Edison Long Legged Mary, az egyenáramú rendszerek kereskedelmi szempontból sikeres dinamója. 1884

1878 – A Ganz Company elkezd váltóáramú generátorokat használni kisebb kereskedelmi létesítményekben Budapesten. 1880 – Charles F. Brush több mint 5000 ívlámpát működtetett, ami a világ összes lámpájának 80 százaléka. Az elektromos korszak gazdasági ereje megkezdődött. 1880-1886 – Európában Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard és mások révén fejlődnek a váltakozó áramú rendszerek. Az egyenáramú dinamók uralkodnak a jövedelmező amerikai piacon, sokan szkeptikusak a váltakozó áramba való befektetéssel szemben. A váltóáramú generátorok nagy teljesítményűek voltak, azonban önmagában a generátor nem jelentette a legnagyobb problémát. A váltakozó áram vezérlésére és elosztására szolgáló rendszereket fejleszteni kellett, mielőtt az egyenáramú áram felvehette volna a versenyt a piacon. 1886 – Az észak-amerikai piacon olyan feltalálók, mint William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla és Elihu Thomson fejlesztik ki saját váltóáramú rendszereiket és generátorterveiket. Legtöbbjük a Siemens és Ferranti generátorokat vette alapul. William Stanley gyorsan feltalált egy jobb generátort, miután elégedetlen volt az első kísérletében használt Siemens-generátorral.

Fentebb: Londonban használt Siemens váltóáramú generátorok 1885-ben, az USA-ban Edison vonakodott beleugrani a váltóáramba, míg Európában a technológia rohamosan fejlődött.

1886-1891 – C.S. Bradly (USA), August Haselwander (Németország), Mihail Dolivo-Dobrovszkij (Németország/Oroszország), Galileo Ferraris (Olaszország) és mások többfázisú váltóáramú generátorokat fejlesztettek ki. A jobb vezérlést és nagy teljesítményű villanymotorokat tartalmazó váltóáramú rendszerek lehetővé teszik, hogy a váltóáram felvegye a versenyt.

1891 – A háromfázisú váltóáram a frankfurti Nemzetközi Elektrotechnikai Kiállításon a legjobb rendszernek bizonyul az áramtermelés és -elosztás terén. Balra látható a kiállításon használt, Mihail Dolivo-Dobrovszkij által tervezett háromfázisú generátor. 1892 – Charles P. Steinmetz bemutatja a hiszterézisről szóló dolgozatát az AIEE előtt. Steinmetz megértése a váltakozó áram matematikájáról megjelenik, és segít forradalmasítani a váltakozó áramú rendszerek tervezését, beleértve a nagy váltakozó áramú generátorokat is. 1890-es évek – A generátorok tervezése gyorsan javul a kereskedelmi értékesítésnek és a kutatásra rendelkezésre álló pénznek köszönhetően. A Westinghouse, a Siemens, az Oerlikon és a General Electric kifejlesztik a világ legerősebb generátorait. Néhány generátor még 115 évvel később is működik. (Mechanicville, NY)

Fentebb:

A későbbi Westinghouse 2000 kW-os 270 Voltos generátor 1900 utánról

3. Videók

Mechanicville-i generátorok a történelem magyarázatával (1897), tervezte Charles P. Steinmetz, a váltóáram mestere

Westinghouse generátor építése és tesztelése (1905), tervezte Oliver Shallenberger, Tesla és mások a Westinghouse-nál.

1895 Korai nagy teljesítményű generátorok a kaliforniai Folsomban (Elihu Thompson, Dr. Louis Bell és mások tervezték a GE-nél)

1891 Az Oerlikon által a Nemzetközi Elektrotechnikai Kiállításra gyártott generátor (Dobrovolsky tervezte Németországban)

Kapcsolódó témák:

Dízel villamos mozdonyok	Transzformátorok	Váltakozó áram története
Teljesítményátvitel	Elektromotorok	Vezetékek és kábelek

Kábelek