Generatori e Dinamo

Sviluppo e Storia del componente che ha reso l’elettricità commercialmente fattibile per la prima volta

Dinamo e Generatori convertono la rotazione meccanica in energia elettrica.

Dinamo – un dispositivo che crea energia elettrica in corrente continua usando l’elettromagnetismo. È anche conosciuto come un generatore, tuttavia il termine generatore si riferisce normalmente a un “alternatore” che crea energia in corrente alternata.

Generatore – normalmente questo termine è usato per descrivere un alternatore che crea corrente alternata usando l’elettromagnetismo.

Generatori, Dinamo e Batterie sono i tre strumenti necessari per creare/stoccare quantità sostanziali di elettricità per uso umano. Le batterie potrebbero essere state scoperte già nel 248 a.C. Utilizzano semplicemente una reazione chimica per produrre e immagazzinare elettricità. Gli scienziati hanno sperimentato la batteria per inventare la prima lampada a incandescenza, motori e treni elettrici e test scientifici. Tuttavia le batterie non erano affidabili o convenienti per qualsiasi uso elettrico regolare, è stata la dinamo che ha cambiato radicalmente l’elettricità da una curiosità in una tecnologia redditizia e affidabile.

1. Come funziona
2. Breve storia di dinamo e generatori
3. Video di generatori

1.) Come funziona:

Basico:

Prima di tutto hai bisogno di una fonte di energia meccanica come una turbina (alimentata dalla caduta dell’acqua), una turbina eolica, una turbina a gas o a vapore. Un albero da uno di questi dispositivi è collegato a un generatore per fare potenza.

Dinamo e generatori funzionano usando il complesso fenomeno selvaggio dell’elettromagnetismo. Capire il comportamento dell’elettromagnetismo, i suoi campi e i suoi effetti è una grande materia di studio. C’è una ragione per cui ci sono voluti 60 anni DOPO la prima batteria di Volta per far funzionare una buona dinamo potente. Manterremo le cose semplici per aiutarvi a introdurre l’interessante argomento della generazione di energia.

Nel senso più elementare un generatore/dinamo è un magnete che ruota mentre è sotto l’influenza del campo magnetico di un altro magnete. Non si può vedere un campo magnetico, ma è spesso illustrato utilizzando linee di flusso. Nell’illustrazione qui sopra le linee di flusso magnetico seguirebbero le linee create dalla limatura di ferro.

Il generatore/dinamo è composto da magneti stazionari (statore) che creano un potente campo magnetico, e un magnete rotante (rotore) che distorce e taglia le linee di flusso magnetico dello statore. Quando il rotore taglia le linee di flusso magnetico, produce elettricità.

Ma perché?

A causa della legge di Faraday sull’induzione, se si prende un filo e lo si muove avanti e indietro in un campo magnetico, il campo spinge gli elettroni nel metallo. Il rame ha 27 elettroni, gli ultimi due nell’orbita sono facilmente spinti all’atomo successivo. Questo movimento di elettroni è un flusso elettrico.

Vedi il video qui sotto che mostra come la corrente è indotta in un filo:

Se prendi molto filo come in una bobina e lo muovi nel campo, crei un “flusso” di elettroni più potente. La forza del tuo generatore dipende da:

“l”-Lunghezza del conduttore nel campo magnetico
“v”-Velocità del conduttore (velocità del rotore)
“B”-Fortezza del campo elettromagnetico

Puoi fare i calcoli usando questa formula: e = B x l x v

Vedi il video per vedere tutto questo dimostrato:

Sui magneti:

Sopra: un semplice elettromagnete chiamato solenoide. Il termine “solenoide” descrive in realtà la forma tubolare creata dal filo arrotolato.

I magneti di solito non sono fatti di magnetite naturale o di un magnete permanente (a meno che non si tratti di un piccolo generatore), ma sono fili di rame o alluminio arrotolati intorno ad un nucleo di ferro. Ogni bobina deve essere eccitata con una certa potenza per farla diventare un magnete. Questa bobina intorno al ferro è chiamata solenoide. I solenoidi sono usati al posto della magnetite naturale perché il solenoide è MOLTO più potente. Un piccolo solenoide può creare un campo magnetico molto forte.

Sopra: Le bobine di filo nei generatori devono essere isolate. Il guasto del generatore è causato da temperature troppo elevate che provocano una rottura dell’isolamento e un cortocircuito tra i fili paralleli. Per saperne di più sui fili >

Termini:
Elettromagnetismo – studio delle forze che avvengono tra particelle elettricamente cariche
Rotore – parte del generatore della dinamo che ruota
Armatura – lo stesso di un rotore
Flusso – le linee di forza in un campo magnetico, si misura in densità, Unità SI di Weber
Statore – magneti in un generatore/dinamo che non si muovono, stabiliscono il campo magnetico stazionario
Solenoide – un magnete creato da una bobina di filo intorno ad un nucleo di ferro/ferro (solenoide tecnicamente significa la forma di questo magnete, ma gli ingegneri si riferiscono a solenoide ed elettromagnete in modo intercambiabile.
Commutatore – Scopri maggiori dettagli su di loro qui
Coppia – forza in un movimento rotatorio

La Dinamo

La Dinamo è un vecchio termine usato per descrivere un generatore che produce energia in corrente continua. La corrente continua invia elettroni in una sola direzione. Il problema con un semplice generatore è che quando il rotore ruota alla fine gira completamente, invertendo la corrente. I primi inventori non sapevano cosa fare con questa corrente alternata, la corrente alternata è più complessa da controllare e per cui progettare motori e luci. I primi inventori dovevano trovare un modo per catturare solo l’energia positiva del generatore, così inventarono un commutatore. Il commutatore è un interruttore che permette alla corrente di fluire solo in una direzione.

Vedi il video qui sotto per vedere come funziona il commutatore:

La dinamo consiste di 3 componenti principali: lo statore, l’indotto e il commutatore.

Le spazzole sono parte del commutatore, le spazzole devono condurre elettricità mentre mantengono il contatto con l’indotto in rotazione. Le prime spazzole erano vere e proprie “spazzole” fatte di piccoli fili. Questi si consumavano facilmente e hanno sviluppato blocchi grafici per fare lo stesso lavoro.

Lo statore è una struttura fissa che fa campo magnetico, si può fare questo in una piccola dinamo usando un magnete permanente. Le grandi dinamo richiedono un elettromagnete. L’armatura è fatta di avvolgimenti di rame che ruotano all’interno del campo magnetico fatto dallo statore. Quando gli avvolgimenti si muovono, tagliano le linee del campo magnetico. Questo crea impulsi di potenza elettrica. Il commutatore è necessario per produrre corrente continua. In corrente continua la potenza scorre in una sola direzione attraverso un filo, il problema è che l’armatura rotante in una dinamo inverte la corrente ogni mezzo giro, quindi il commutatore è un interruttore rotante che scollega la potenza durante la parte di corrente inversa del ciclo.

Autoeccitazione:

Siccome i magneti in una dinamo sono solenoidi, devono essere alimentati per funzionare. Quindi, oltre alle spazzole che spillano la corrente per andare al circuito principale, c’è un’altra serie di spazzole che prendono la corrente dall’indotto per alimentare i magneti dello statore. Questo va bene se la dinamo è in funzione, ma come si fa a far partire una dinamo se non si ha energia per partire?

A volte l’indotto conserva un po’ di magnetismo nel nucleo di ferro, e quando comincia a girare produce una piccola quantità di energia, sufficiente per eccitare i solenoidi nello statore. La tensione comincia quindi a salire fino a quando la dinamo è a piena potenza.

Se non c’è più magnetismo nel ferro dell’indotto, allora spesso si usa una batteria per eccitare i solenoidi nella dinamo per farla partire. Questo è chiamato “lampo di campo”.

Di seguito, nella discussione sul cablaggio della dinamo, si noterà come l’alimentazione viene fatta passare attraverso i solenoidi in modo diverso.

Ci sono due modi di cablare una dinamo: in serie e in derivazione. Vedi gli schemi per imparare la differenza.

Di seguito, il video di una piccola dinamo semplice simile agli schemi precedenti (costruita nel 1890):

Il generatore

Il generatore differisce dalla dinamo in quanto produce energia AC. Gli elettroni fluiscono in entrambe le direzioni nella corrente alternata. Non è stato fino al 1890 che gli ingegneri hanno capito come progettare potenti motori, trasformatori e altri dispositivi che potevano usare la corrente alternata in un modo che poteva competere con la corrente continua.

Mentre l’alternatore usa dei commutatori, il generatore usa un collettore rotante con spazzole per prelevare l’energia dal rotore. Attaccati al collettore rotante ci sono “spazzole” di grafite o di carbonio che sono caricate a molla per spingere la spazzola sull’anello. Questo mantiene il flusso di potenza in modo costante. Le spazzole si consumano nel tempo e devono essere sostituite.

Di seguito, un video di collettori rotanti e spazzole, molti esempi dal vecchio al nuovo:

Dal tempo di Gramme nel 1860 si è capito che il modo migliore per costruire una dinamo/generatore era quello di disporre le bobine magnetiche intorno a un ampio cerchio, con una larga armatura che gira. Questo sembra diverso dai semplici esempi di piccole dinamo che si vedono usati nell’insegnamento del funzionamento dei dispositivi.

Nella foto qui sotto si vede chiaramente una bobina sull’armatura (le altre sono state rimosse per la manutenzione) e altre bobine incorporate nello statore.

Dagli anni 1890 ad oggi la corrente alternata trifase è stata la forma standard di alimentazione. Le tre fasi sono fatte attraverso il design del generatore.

Per fare un generatore trifase devi mettere un certo numero di magneti sullo statore e sull’armatura, tutti con la giusta spaziatura. L’elettromagnetismo è complesso come avere a che fare con le onde e l’acqua, quindi devi sapere come controllare il campo attraverso il tuo progetto. I problemi includono avere il tuo magnete attratto in modo non uniforme dal nucleo di ferro, calcoli impropri della distorsione del campo magnetico (più veloce gira, più il campo è distorto), resistenza spuria nelle bobine dell’indotto, e una miriade di altri potenziali problemi.

Perché 3 fasi? se vuoi sapere di più sulle fasi e perché usiamo 3 fasi, guarda il nostro video con il pioniere della trasmissione di potenza Lionel Barthold.

2.) Una breve storia di dinamo e generatori:

Il generatore si è evoluto dal lavoro di Michael Faraday e Joseph Henry nel 1820. Una volta che questi due inventori hanno scoperto e documentato il fenomeno dell’induzione elettromagnetica, ha portato alla sperimentazione di altri sia in Europa che in Nord America.

1832 – Hippolyte Pixii (Francia) costruì la prima dinamo utilizzando un commutatore, il suo modello creava impulsi di elettricità separati da nessuna corrente. Ha anche creato per caso il primo alternatore. Non sapeva cosa fare con la corrente che cambiava, si concentrò sul tentativo di eliminare la corrente alternata per ottenere corrente continua, questo lo portò a creare il commutatore.
1830-1860 – La batteria è ancora il modo più potente di fornire elettricità per le varie sperimentazioni in corso in quel periodo. L’elettricità non era ancora commerciabile. Un treno elettrico a batteria da Washington DC a Baltimora fallì, dimostrando un grossolano imbarazzo per il nuovo campo dell’elettricità. Dopo milioni di dollari sprecati, il vapore si dimostrò ancora una fonte di energia migliore. L’elettricità doveva ancora dimostrare di essere affidabile e commerciabile.
1860 – Antonio Pacinotti- Creò una dinamo che forniva potenza continua in corrente continua
1867 – Werner Von Siemens e Charles Wheatstone creano una dinamo più potente e più utile che usava un elettromagnete autoalimentato nello statore invece del debole magnete permanente.
1871 – Zenobe Gramme accese la rivoluzione commerciale dell’elettricità. Ha riempito il campo magnetico con un nucleo di ferro che ha fatto un percorso migliore per il flusso magnetico. Questo aumentò la potenza della dinamo fino al punto in cui era utilizzabile per molte applicazioni commerciali.
1870 – Ci fu un’esplosione di nuovi progetti di dinamo, i progetti spaziavano in un assortimento selvaggio, solo alcuni si distinguevano per essere superiori in efficienza.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) sviluppò il progetto di dinamo più efficiente e affidabile fino a quel punto. La sua invenzione fu venduta attraverso la Telegraph Supply Company.
1877 – Il Franklin Institute (Philadelphia) conduce un test sulle dinamo di tutto il mondo. La pubblicità di questo evento stimola lo sviluppo di altri come Elihu Thomson, Lord Kelvin e Thomas Edison.

Sopra: Long Legged Mary di Edison, una dinamo di successo commerciale per i suoi sistemi DC 1884

1878 – La Ganz Company inizia a usare generatori AC in piccole installazioni commerciali a Budapest. 1880 – Charles F. Brush aveva oltre 5000 lampade ad arco in funzione, che rappresentano l’80% di tutte le lampade nel mondo. Il potere economico dell’era elettrica era iniziato. 1880-1886 – I sistemi a corrente alternata si sviluppano in Europa con Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard e altri. Le dinamo DC regnano sovrane nel lucrativo mercato americano, molti sono scettici ad investire in AC. I generatori AC erano potenti, tuttavia il generatore da solo non era il problema maggiore. I sistemi per il controllo e la distribuzione dell’energia AC dovevano essere migliorati prima che potesse competere con la DC su un mercato. 1886 – Nel mercato nordamericano inventori come William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla, ed Elihu Thomson sviluppano i loro propri sistemi AC e progetti di generatori. La maggior parte di loro ha usato i generatori Siemens e Ferranti come base di studio. William Stanley fu in grado di inventare rapidamente un generatore migliore dopo essere stato insoddisfatto del generatore Siemens che aveva usato nel suo primo esperimento.

Sopra: Generatori AC Siemens usati a Londra nel 1885, negli Stati Uniti Edison era riluttante a buttarsi nel campo dell’energia AC mentre in Europa la tecnologia si stava sviluppando rapidamente.

1886-1891 – Generatori AC polifase sono sviluppati da C.S. Bradly (USA), August Haselwander (Germania), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Germania/Russia), Galileo Ferraris (Italia) e altri. I sistemi AC che includono un migliore controllo e potenti motori elettrici permettono all’AC di competere.

1891 – L’energia AC trifase dimostra di essere il miglior sistema per la generazione e la distribuzione di energia all’Esposizione Elettrotecnica Internazionale di Francoforte. Il generatore trifase progettato da Mikhail Dolivo-Dobrovsky usato alla mostra è visto a sinistra. 1892 – Charles P. Steinmetz presenta il suo documento all’AIEE sull’isteresi. La comprensione di Steinmetz della matematica della potenza AC viene pubblicata e aiuta a rivoluzionare la progettazione dei sistemi di alimentazione AC, compresi i grandi generatori AC. 1890s – La progettazione dei generatori viene migliorata rapidamente grazie alle vendite commerciali e al denaro disponibile per la ricerca. Westinghouse, Siemens, Oerlikon e General Electric sviluppano i generatori più potenti del mondo. Alcuni generatori funzionano ancora 115 anni dopo. (Mechanicville, NY)

Sopra: 1894 Elihu Thomson sviluppò molti generatori AC per General Electric

Un successivo generatore Westinghouse 2000 kW 270 Volt da dopo il 1900

3. Video

Generatori di Mechanicville con la storia spiegata (1897), progettati dalla mente AC Charles P. Steinmetz

Generatore Westinghouse in costruzione e test (1905), progettato da Oliver Shallenberger, Tesla e altri alla Westinghouse.

1895 Primi potenti generatori usati a Folsom, CA (progettati da Elihu Thompson, Dr. Louis Bell, e altri alla GE)

1891 Generatore prodotto da Oerlikon per l’Esposizione Elettrotecnica Internazionale (progettato da Dobrovolsky in Germania)

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