Generatoren & dynamo’s

Ontwikkeling en geschiedenis van het onderdeel dat elektriciteit voor het eerst commercieel mogelijk maakte

Dynamo’s en generatoren zetten mechanische rotatie om in elektrische stroom.

Dynamo – een apparaat dat met behulp van elektromagnetisme elektrische gelijkstroom opwekt. Het is ook bekend als een generator, maar de term generator verwijst gewoonlijk naar een “alternator” die wisselstroomstroom opwekt.

Generator – gewoonlijk wordt met deze term een wisselstroomgenerator bedoeld, die met behulp van elektromagnetisme wisselstroom opwekt.

Generatoren, dynamo’s en accu’s zijn de drie instrumenten die nodig zijn om aanzienlijke hoeveelheden elektriciteit te produceren/opslaan voor menselijk gebruik. Batterijen zijn mogelijk al in 248 v. Chr. ontdekt. Zij gebruiken eenvoudig een chemische reactie om elektriciteit te maken en op te slaan. Wetenschappers experimenteerden met de batterij om de eerste gloeilamp, elektrische motoren en treinen, en wetenschappelijke proeven uit te vinden. Maar batterijen waren niet betrouwbaar of kosteneffectief voor regelmatig elektrisch gebruik, het was de dynamo die elektriciteit radicaal veranderde van een curiositeit in een winstgevende, betrouwbare technologie.

1. Hoe het werkt
2. Korte geschiedenis van dynamo’s en generatoren
3. Video’s van generatoren

1.) Hoe het werkt:

Basis:

Eerst heb je een mechanische krachtbron nodig zoals een turbine (aangedreven door vallend water), windturbine, gasturbine of stoomturbine. Een as van een van deze apparaten wordt verbonden met een generator om kracht te maken.

Dynamo’s en generatoren werken met behulp van de wild complexe verschijnselen van elektromagnetisme. Het begrijpen van het gedrag van elektromagnetisme, zijn velden en zijn effecten is een groot onderwerp van studie. Er is een reden waarom het 60 jaar na Volta’s eerste batterij duurde om een goede krachtige dynamo werkend te krijgen. We zullen het eenvoudig houden om u kennis te laten maken met het interessante onderwerp van energieopwekking.

In de meest elementaire zin is een generator/dynamo een magneet die roteert onder invloed van het magnetisch veld van een andere magneet. Je kunt een magnetisch veld niet zien, maar het wordt vaak geïllustreerd met fluxlijnen. In de bovenstaande illustratie zouden de lijnen van magnetische flux de lijnen volgen die door het ijzervijlsel worden gecreëerd.

De generator/dynamo bestaat uit stationaire magneten (stator) die een krachtig magnetisch veld creëren, en een roterende magneet (rotor) die de magnetische fluxlijnen van de stator vervormt en doorsnijdt. Wanneer de rotor de magnetische fluxlijnen doorsnijdt, wordt elektriciteit opgewekt.

Maar waarom?

Door de inductiewet van Faraday, als je een draad in een magnetisch veld heen en weer beweegt, oefent het veld druk uit op de elektronen in het metaal. Koper heeft 27 elektronen, de laatste twee in de baan worden gemakkelijk doorgeduwd naar het volgende atoom. Deze beweging van elektronen is elektrische stroom.

Zie de video hieronder die laat zien hoe stroom wordt opgewekt in een draad:

Als je veel draad neemt, zoals in een spoel, en die in het veld beweegt, creëer je een krachtigere “stroom” van elektronen. De sterkte van je generator hangt af van:

“l”-Lengte van de geleider in het magnetisch veld
“v”-Snelheid van de geleider (snelheid van de rotor)
“B”-Sterkte van het elektromagnetisch veld

Je kunt berekeningen doen met deze formule: e = B x l x v

Zie de video om dit alles gedemonstreerd te zien:

Over de magneten:

Hierboven: een eenvoudige elektromagneet die een solenoïde wordt genoemd. De term “solenoïde” beschrijft eigenlijk de buisvorm die door de opgerolde draad wordt gecreëerd.

De magneten zijn gewoonlijk niet gemaakt van natuurlijk magnetiet of een permanente magneet (tenzij het een kleine generator is), maar zij zijn koper- of aluminiumdraad die rond een ijzeren kern is opgerold. Elke spoel moet met enige kracht worden bekrachtigd om er een magneet van te maken. Deze spoel rond ijzer wordt een solenoïde genoemd. Solenoïden worden gebruikt in plaats van natuurlijk magnetiet omdat de solenoïde VEEL krachtiger is. Een kleine solenoïde kan een zeer sterk magnetisch veld opwekken.

Hierboven: De draadspoelen in de generatoren moeten geïsoleerd zijn. Generatorstoringen worden veroorzaakt door te hoge temperaturen, waardoor de isolatie afbreekt en er kortsluiting ontstaat tussen de parallelle draden. Meer informatie over draden >

Termen:
Elektromagnetisme – studie van krachten die optreden tussen elektrisch geladen deeltjes
Rotor – deel van de generator van dynamo dat draait
Armatuur – hetzelfde als een rotor
Flux – de krachtlijnen in een magnetisch veld, het wordt gemeten in dichtheid, SI-eenheid van weber
Stator – magneten in een generator/dynamo die niet bewegen, zij zorgen voor het stationaire magnetische veld
Solenoïde – een magneet gecreëerd door een draadspoel rond een ijzeren/ferris kern (solenoïde betekent technisch gezien de vorm van deze magneet, maar ingenieurs verwijzen naar solenoïde en elektromagneet door elkaar.
Commutator – Meer details hierover vindt u hier
Torsie – kracht in een draaiende beweging

De Dynamo

Dynamo is een oudere term die wordt gebruikt om een generator aan te duiden die gelijkstroomkracht opwekt. Gelijkstroom stuurt elektronen slechts in één richting. Het probleem met een eenvoudige generator is dat wanneer de rotor roteert hij uiteindelijk volledig omdraait, waardoor de stroom wordt omgekeerd. Vroege uitvinders wisten niet wat ze met deze wisselstroom moesten doen, wisselstroom is ingewikkelder te regelen en er motoren en lampen voor te ontwerpen. Vroege uitvinders moesten een manier vinden om alleen de positieve energie van de generator op te vangen, dus vonden zij een commutator uit. De commutator is een schakelaar die stroom toestaat om slechts in één richting te stromen.

Zie de video hieronder om te zien hoe de commutator werkt:

De dynamo bestaat uit 3 belangrijke onderdelen: de stator, het anker, en de commutator.

Borstels maken deel uit van de commutator, de borstels moeten elektriciteit geleiden als ze contact houden met het roterende anker. De eerste borstels waren echte draadborstels gemaakt van kleine draden. Deze versleten gemakkelijk en men ontwikkelde grafische blokken om hetzelfde werk te doen.

De stator is een vaste structuur die magnetisch veld maakt, dit kan in een kleine dynamo met behulp van een permanente magneet. Grote dynamo’s hebben een elektromagneet nodig. Het anker bestaat uit opgerolde koperen wikkelingen die draaien binnen het magnetisch veld dat door de stator wordt gemaakt. Wanneer de windingen bewegen, snijden ze door de lijnen van het magnetisch veld. Hierdoor ontstaan stroompulsen. De commutator is nodig om gelijkstroom te produceren. In gelijkstroom stroomt de macht in slechts één richting door een draad, is het probleem dat het roterende anker in een dynamo stroom omkeert elke halve draai, zodat is de commutator een draaischakelaar die de macht tijdens het omgekeerde huidige deel van de cyclus losmaakt.

Zelfbekrachtiging:

Omdat de magneten in een dynamo solenoïden zijn, moeten zij bekrachtigd worden om te kunnen werken. Dus naast borstels die stroom aftappen om naar het hoofdcircuit te gaan, is er nog een stel borstels om stroom af te tappen van het anker om de magneten van de stator van stroom te voorzien. Dat is prima als de dynamo loopt, maar hoe start je een dynamo als je geen stroom hebt om te starten?

Soms behoudt het anker nog wat magnetisme in de ijzeren kern, en als het begint te draaien maakt het een kleine hoeveelheid stroom, genoeg om de solenoïden in de stator op te wekken. De spanning begint dan te stijgen tot de dynamo op volle kracht is.

Als er geen magnetisme meer is in het ijzer van het anker, dan wordt vaak een batterij gebruikt om de solenoïden in de dynamo op te wekken om hem aan de gang te krijgen. Dit wordt “veldflitsen” genoemd.

Hieronder bij de bespreking van de bedrading van de dynamo zult u zien hoe de stroom op verschillende manieren door de solenoïden wordt geleid.

Er zijn twee manieren om een dynamo aan te sluiten: serie- en shuntwikkeling. Zie de schema’s om het verschil te leren.

Hieronder, video van een kleine eenvoudige dynamo die lijkt op de schema’s hierboven (gebouwd in de jaren 1890):

De Generator

De generator verschilt van de dynamo doordat hij wisselstroom opwekt. Bij wisselstroom stromen de elektronen in beide richtingen. Pas in de jaren 1890 hadden ingenieurs uitgevonden hoe zij krachtige motoren, transformatoren en andere apparaten konden ontwerpen die wisselstroom konden gebruiken op een manier die kon concurreren met gelijkstroom.

Terwijl de dynamo gebruik maakt van commutators, gebruikt de generator een sleepring met borstels om de stroom van de rotor af te tappen. Aan de sleepring zijn grafiet of koolstof “borstels” bevestigd die veerbelast zijn om de borstel op de ring te duwen. Hierdoor blijft de stroom constant stromen. Na verloop van tijd slijten de borstels en moeten ze worden vervangen.

Hieronder, video van sleepringen en borstels, vele voorbeelden van oud tot nieuw:

Sinds de tijd van Gramme in de jaren 1860 kwam men tot de ontdekking dat de beste manier om een dynamo/generator te bouwen was om magnetische spoelen rond een wijde cirkel te rangschikken, met een wijd draaiend anker. Dit ziet er anders uit dan de eenvoudige kleine dynamovoorbeelden die je gebruikt ziet bij het onderwijzen van de werking van de apparaten.

Op de foto hieronder zie je duidelijk één spoel op het anker (de rest werd verwijderd voor onderhoud) en andere spoelen ingebouwd in de stator.

Van de jaren 1890 tot heden is 3-fasen wisselstroom de standaardvorm van stroom. Drie fasen wordt gemaakt door het ontwerp van de generator.

Om een driefasengenerator te maken, moet je een bepaald aantal magneten op je stator en anker plaatsen, allemaal met de juiste tussenruimte. Elektromagnetisme is net zo complex als het omgaan met golven en water, dus je moet weten hoe je het veld kunt beheersen door je ontwerp. Problemen zijn onder andere dat je magneet ongelijk wordt aangetrokken door de ijzeren kern, onjuiste berekeningen van de vervorming van het magnetisch veld (hoe sneller het draait, hoe meer het veld wordt vervormd), valse weerstand in de anker spoelen, en een groot aantal andere potentiële problemen.

Waarom 3 fase? als je meer wilt weten over fasen en waarom we 3 fase gebruiken, zie onze video met power transmission pionier Lionel Barthold.

2.) Een korte geschiedenis van dynamo’s en generatoren:

De generator is voortgekomen uit het werk van Michael Faraday en Joseph Henry in de jaren 1820. Zodra deze twee uitvinders het fenomeen van elektromagnetische inductie hadden ontdekt en gedocumenteerd, leidde dit tot experimenten door anderen in zowel Europa als Noord-Amerika.

1832 – Hippolyte Pixii (Frankrijk) bouwde de eerste dynamo met behulp van een commutator, zijn model creëerde pulsen van elektriciteit gescheiden door geen stroom. Hij creëerde ook bij toeval de eerste dynamo. Hij wist niet wat hij met de wisselende stroom moest doen, hij concentreerde zich op het elimineren van de wisselstroom om gelijkstroom te krijgen, dit leidde hem tot het maken van de commutator.
Jaren 1830-1860 – De batterij is nog steeds de krachtigste manier om elektriciteit te leveren voor de verschillende experimenten die in die periode plaatsvonden. Elektriciteit was nog steeds niet commercieel levensvatbaar. Een door batterijen aangedreven elektrische trein van Washington DC naar Baltimore mislukte, wat een grove schande was voor het nieuwe gebied van de elektriciteit. Na miljoenen dollars verspild te hebben, bleek stoom nog steeds een betere krachtbron te zijn. Elektriciteit moest nog bewijzen betrouwbaar en commercieel levensvatbaar te zijn.
1860 – Antonio Pacinotti- Creëerde een dynamo die continue gelijkstroom leverde
1867 – Werner Von Siemens en Charles Wheatstone creëren een krachtigere, meer bruikbare dynamo die een zelfaangedreven elektromagneet in de stator gebruikte in plaats van de zwakke permanente magneet.
1871 – Zenobe Gramme ontketende de commerciële revolutie van elektriciteit. Hij vulde het magnetisch veld met een ijzeren kern die een beter pad voor de magnetische flux vormde. Dit vergrootte het vermogen van de dynamo tot een punt waarop hij bruikbaar was voor vele commerciële toepassingen.
Jaren ’70 – Er was een explosie van nieuwe ontwerpen voor dynamo’s, de ontwerpen varieerden van wild tot wild, slechts enkele vielen op als superieur in efficiëntie.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) ontwikkelde het meest efficiënte en betrouwbare dynamo-ontwerp ooit tot op dat moment. Zijn uitvinding werd verkocht via de Telegraph Supply Company.
1877 – Het Franklin Institute (Philadelphia) voert tests uit op dynamo’s uit de hele wereld. De publiciteit van deze gebeurtenis stimuleert de ontwikkeling door anderen zoals Elihu Thomson, Lord Kelvin, en Thomas Edison.

Hierboven: Edison’s Long Legged Mary, een commercieel succesvolle dynamo voor zijn gelijkstroomsystemen 1884

1878 – De Ganz Company begint met het gebruik van wisselstroomgeneratoren in kleine commerciële installaties in Boedapest. 1880 – Charles F. Brush had meer dan 5000 booglampen in bedrijf, die 80 procent van alle lampen wereldwijd vertegenwoordigden. De economische macht van het elektrische tijdperk was begonnen. 1880-1886 – Wisselstroomsystemen ontwikkelen zich in Europa met Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard, en anderen. Gelijkstroom dynamo’s heersen op de lucratieve Amerikaanse markt, velen zijn sceptisch om in wisselstroom te investeren. Wisselstroomgeneratoren waren krachtig, maar de generator alleen was niet het grootste probleem. Systemen voor controle en distributie van wisselstroom moesten worden verbeterd voordat het op een markt kon concurreren met gelijkstroom. 1886 – Op de Noord-Amerikaanse markt ontwikkelen uitvinders als William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla, en Elihu Thomson hun eigen AC systemen en generator ontwerpen. De meesten van hen gebruikten Siemens en Ferranti generatoren als hun studiebasis. William Stanley was snel in staat een betere generator uit te vinden nadat hij ontevreden was met de Siemens generator die hij gebruikte in zijn eerste experiment.

Hierboven: Siemens wisselstroomgeneratoren gebruikt in Londen in 1885, in de VS was Edison terughoudend om in het wisselstroomveld te springen terwijl in Europa de technologie zich snel ontwikkelde.

1886-1891 – Meerfasige wisselstroomgeneratoren worden ontwikkeld door C.S. Bradly (VS), August Haselwander (Duitsland), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Duitsland/Rusland), Galileo Ferraris (Italië), en anderen. AC-systemen met betere regeling en krachtige elektromotoren stellen AC in staat te concurreren.

1891 – Driefasige wisselstroom bewijst op de Internationale Elektrotechnische Tentoonstelling in Frankfurt het beste systeem te zijn voor stroomopwekking en -distributie. De driefasige generator ontworpen door Mikhail Dolivo-Dobrovsky die op de tentoonstelling werd gebruikt, is links te zien. 1892 – Charles P. Steinmetz presenteert zijn paper aan de AIEE over hysteresis. Steinmetz’ inzicht in de wiskunde van wisselstroom wordt gepubliceerd en draagt bij tot een revolutie in het ontwerp van wisselstroomsystemen, waaronder grote wisselstroomgeneratoren. Jaren 1890 – Het ontwerp van generatoren wordt snel verbeterd dankzij de commerciële verkoop en beschikbaar geld voor onderzoek. Westinghouse, Siemens, Oerlikon, en General Electric ontwikkelen ’s werelds krachtigste generatoren. Sommige generatoren werken 115 jaar later nog steeds. (Mechanicville, NY)

Hierboven: 1894 Elihu Thomson ontwikkelde veel wisselstroomgeneratoren voor General Electric

Een latere Westinghouse 2000 kW 270 Volt generator van na 1900

3. Video

Mechanicville Generatoren met geschiedenis toegelicht (1897), ontworpen door AC meesterbrein Charles P. Steinmetz

Westinghouse Generator wordt gebouwd en getest (1905), ontworpen door Oliver Shallenberger, Tesla en anderen bij Westinghouse.

1895 Vroege krachtige generatoren gebruikt in Folsom, CA (ontworpen door Elihu Thompson, Dr. Louis Bell, en anderen bij GE)

1891 Generator geproduceerd door Oerlikon voor de Internationale Elektrotechnische Tentoonstelling (ontworpen door Dobrovolsky in Duitsland)

Gerelateerde onderwerpen:

Diesel Electric Locomotives	Transformatoren	AC Power History
Power Transmission	Electric Motors	Wires and Cables