Generatory i Dynamo | St. Charles

Rozwój i historia komponentu, który sprawił, że elektryczność stała się po raz pierwszy komercyjnie wykonalna
1.) Jak to działa:
Dynamo
Generator
2.) Krótka historia dynamo i generatorów:
3. Videos

Rozwój i historia komponentu, który sprawił, że elektryczność stała się po raz pierwszy komercyjnie wykonalna

Dynamosy i generatory przekształcają mechaniczny ruch obrotowy w energię elektryczną.

Dynamo – urządzenie, które wytwarza energię elektryczną prądu stałego za pomocą elektromagnetyzmu. Znane jest również jako prądnica, jednak termin prądnica odnosi się zwykle do „alternatora”, który wytwarza prąd zmienny.

Generator – zwykle termin ten jest używany do opisania alternatora, który tworzy prąd zmienny przy użyciu elektromagnetyzmu.

Generatory, dynamo i baterie to trzy narzędzia niezbędne do tworzenia/przechowywania znacznych ilości energii elektrycznej do użytku ludzkiego. Baterie mogły zostać odkryte już w 248 r. p.n.e. Wykorzystują one po prostu reakcję chemiczną do wytwarzania i przechowywania energii elektrycznej. Naukowcy eksperymentowali z bateriami, aby wynaleźć wczesne lampy żarowe, silniki elektryczne i pociągi oraz testy naukowe. Jednak baterie nie były niezawodne ani opłacalne w regularnym użytkowaniu elektrycznym, to właśnie dynamo radykalnie zmieniło elektryczność z ciekawostki w opłacalną, niezawodną technologię.

1. jak to działa
2. krótka historia dynam i generatorów
3. filmy video o generatorach

1.) Jak to działa:

Podstawowe:

Po pierwsze potrzebujesz mechanicznego źródła energii jak turbina (napędzana spadającą wodą), turbina wiatrowa, turbina gazowa lub turbina parowa. Wał z jednego z tych urządzeń jest podłączony do generatora, aby uzyskać moc.

Dynamosy i generatory działają wykorzystując dzikie złożone zjawiska elektromagnetyzmu. Zrozumienie zachowania elektromagnetyzmu, jego pól i jego skutków jest obszernym przedmiotem badań. Istnieje powód, dla którego dopiero po 60 latach od pierwszej baterii Volty udało się uzyskać dobre, potężne dynamo. Utrzymamy rzeczy w prostocie, aby pomóc wprowadzić Cię w interesujący temat wytwarzania energii.

W najbardziej podstawowym sensie generator/dynamo jest jednym magnesem obracającym się pod wpływem pola magnetycznego innego magnesu. Nie można zobaczyć pola magnetycznego, ale jest ono często ilustrowane za pomocą linii strumienia. Na powyższej ilustracji linie strumienia magnetycznego podążałyby za liniami utworzonymi przez opiłki żelaza.

Generator/dynamo składa się z magnesów stacjonarnych (stojan), które tworzą silne pole magnetyczne, oraz magnesu obrotowego (wirnik), który zniekształca i przecina linie strumienia magnetycznego stojana. Kiedy wirnik przecina linie strumienia magnetycznego, wytwarza elektryczność.

Ale dlaczego?

Dzięki prawu indukcji Faradaya, jeśli weźmiesz drut i przesuniesz go tam i z powrotem w polu magnetycznym, pole naciska na elektrony w metalu. Miedź ma 27 elektronów, dwa ostatnie na orbicie są łatwo przepychane do następnego atomu. Ten ruch elektronów to przepływ elektryczny.

Zobacz film poniżej pokazujący jak prąd jest indukowany w drucie:

Jeśli weźmiesz dużo drutu, takiego jak w cewce i poruszasz nim w polu, tworzysz potężniejszy „przepływ” elektronów. Siła twojego generatora zależy od:

„l”-długości przewodnika w polu magnetycznym
„v”-prędkości przewodnika (prędkości wirnika)
„B”-siła pola elektromagnetycznego

Możesz wykonać obliczenia używając tego wzoru: e = B x l x v

Zobacz film, aby zobaczyć to wszystko zademonstrowane:

O magnesach:

Powyżej: prosty elektromagnes określany jako solenoid. Termin „solenoid” faktycznie opisuje kształt rurki utworzonej przez zwinięty drut.

Magnesy zazwyczaj nie są wykonane z naturalnego magnetytu lub magnesu stałego (chyba że jest to mały generator), ale są to druty miedziane lub aluminiowe zwinięte wokół żelaznego rdzenia. Każda cewka musi być zasilana jakąś mocą, aby stała się magnesem. Ta cewka wokół żelaza nazywana jest solenoidem. Solenoidy są używane zamiast naturalnego magnetytu, ponieważ solenoid jest o wiele bardziej wydajny. Mały solenoid może wytworzyć bardzo silne pole magnetyczne.

Powyżej: Cewki drutu w generatorach muszą być izolowane. Awaria generatora jest spowodowana zbyt wysokim wzrostem temperatury, co powoduje przerwanie izolacji i zwarcie między równoległymi przewodami. Dowiedz się więcej o przewodach >

Terminy:
Elektromagnetyzm – nauka o siłach, które zachodzą między cząstkami naładowanymi elektrycznie
Rotor – część prądnicy dynamo, która się obraca
Armatura – to samo co rotor
Fluks – linie sił w polu magnetycznym, mierzy się go w gęstości, Stator – magnesy w generatorze/dynamo, które nie poruszają się, tworzą stacjonarne pole magnetyczne
Solenoid – magnes utworzony przez zwoje drutu wokół żelaznego/ferrytycznego rdzenia (solenoid technicznie oznacza kształt tego magnesu, ale inżynierowie odnoszą się do solenoidu i elektromagnesu zamiennie.
Komutator – Dowiedz się więcej szczegółów o nich tutaj
Moment obrotowy – siła w ruchu obrotowym

Zobacz również naszą stronę o indukcji.

Dynamo

Dynamo jest starszym terminem używanym do opisania generatora, który wytwarza prąd stały. Prąd stały wysyła elektrony tylko w jednym kierunku. Problem z prostym generatorem polega na tym, że kiedy wirnik się obraca, w końcu całkowicie się obraca, odwracając prąd. Pierwsi wynalazcy nie wiedzieli, co zrobić z prądem zmiennym. Prąd zmienny jest bardziej skomplikowany do kontrolowania i projektowania silników i świateł. Pierwsi wynalazcy musieli znaleźć sposób na przechwytywanie tylko dodatniej energii generatora, więc wymyślili komutator. Komutator jest przełącznikiem, który pozwala na przepływ prądu tylko w jednym kierunku.

Zobacz poniższy film, aby zobaczyć, jak działa komutator:

Dynamo składa się z 3 głównych elementów: stojana, twornika i komutatora.

Szczotki są częścią komutatora, szczotki muszą przewodzić elektryczność, ponieważ utrzymują kontakt z obracającym się twornikiem. Pierwsze szczotki były rzeczywistymi „szczotkami” wykonanymi z małych drucików. Zużyły się one łatwo i opracowano bloki graficzne do wykonywania tej samej pracy.

Stojan jest stałą strukturą, która wytwarza pole magnetyczne, można to zrobić w małym dynamo za pomocą magnesu stałego. Duże dynamo wymaga elektromagnesu.
Armatura jest wykonana ze zwiniętych uzwojeń miedzianych, które obracają się wewnątrz pola magnetycznego wytworzonego przez stojan. Kiedy uzwojenia poruszają się, przecinają linie pola magnetycznego. W ten sposób powstają impulsy energii elektrycznej.

Komutator jest potrzebny do wytwarzania prądu stałego. W prądzie stałym prąd płynie tylko w jednym kierunku przez przewód, problem polega na tym, że obracająca się armatura w dynamo odwraca prąd po każdym półobrocie, więc komutator jest przełącznikiem obrotowym, który odłącza zasilanie podczas części cyklu z odwróconym prądem.

Samowzbudzenie:

Ponieważ magnesy w dynamo są solenoidami, muszą być zasilane, aby działać. Tak więc oprócz szczotek, które odbierają zasilanie do głównego obwodu, jest jeszcze jeden zestaw szczotek, który pobiera moc z twornika, aby zasilić magnesy stojana. To jest w porządku, jeśli dynamo działa, ale jak uruchomić dynamo, jeśli nie masz mocy, aby rozpocząć?

Czasami armatura zachowuje pewien magnetyzm w żelaznym rdzeniu, a kiedy zaczyna się obracać, wytwarza niewielką ilość mocy, wystarczającą do wzbudzenia solenoidów w stojanie. Napięcie zaczyna wzrastać, aż dynamo osiągnie pełną moc. Jeśli nie ma już magnetyzmu w żelazie armatury, często używa się baterii do wzbudzenia elektromagnesów w dynamo, aby je uruchomić. Nazywa się to „migotaniem pola”.

Poniżej w dyskusji na temat okablowania dynama zauważysz jak moc jest poprowadzona przez cewki w różny sposób.

Istnieją dwa sposoby okablowania dynama: szeregowe i bocznikowe. Zobacz schematy, aby poznać różnicę.

Poniżej filmik z małym, prostym dynamem podobnym do powyższych schematów (zbudowanym w latach 90-tych XIX wieku):

Generator

Generator różni się od dynama tym, że wytwarza prąd zmienny. W prądzie zmiennym elektrony przepływają w obu kierunkach. Dopiero w latach 90-tych XIX wieku inżynierowie zorientowali się, jak zaprojektować potężne silniki, transformatory i inne urządzenia, które mogły wykorzystywać prąd zmienny w sposób, który mógł konkurować z prądem stałym.

Podczas gdy alternator używa komutatorów, generator używa pierścienia ślizgowego ze szczotkami, aby odłączyć moc od wirnika. Przymocowane do pierścienia ślizgowego są grafitowe lub węglowe „szczotki”, które są obciążone sprężyną, aby wcisnąć szczotkę na pierścień. Dzięki temu prąd płynie nieprzerwanie. Szczotki zużywają się z czasem i muszą być wymieniane.

Poniżej filmik o pierścieniach ślizgowych i szczotkach, wiele przykładów od starych do nowych:

Od czasów Gramme’a w latach 60-tych XIX wieku było wiadomo, że najlepszym sposobem na zbudowanie dynamo/generatora jest ułożenie cewek magnetycznych wokół szerokiego koła, z szeroką wirującą armaturą. Wygląda to inaczej niż proste przykłady małych dynamo, które są używane w nauczaniu jak te urządzenia działają.

Na zdjęciu poniżej widać wyraźnie jedną cewkę na tworniku (reszta została usunięta do celów serwisowych) oraz inne cewki wbudowane w stojan.

Od lat 90-tych XIX wieku do dziś 3-fazowa energia zmienna jest standardową formą zasilania. Trzy fazy są wytwarzane przez konstrukcję generatora.

Aby stworzyć generator trójfazowy musisz umieścić pewną liczbę magnesów na stojanie i tworniku, wszystkie w odpowiednich odstępach. Elektromagnetyzm jest tak skomplikowany, jak radzenie sobie z falami i wodą, więc musisz wiedzieć, jak kontrolować pole poprzez swój projekt. Problemy obejmują nierównomierne przyciąganie magnesu do rdzenia żelaznego, niewłaściwe obliczenia zniekształcenia pola magnetycznego (im szybciej się obraca, tym bardziej pole jest zniekształcone), niepożądany opór w cewkach twornika i mnóstwo innych potencjalnych problemów.

Dlaczego 3 fazy? Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o fazach i dlaczego używamy 3 faz, zobacz nasz film z pionierem transmisji energii Lionelem Bartholdem.

2.) Krótka historia dynamo i generatorów:

Generator wyewoluował z pracy Michaela Faradaya i Josepha Henry’ego w latach 1820-tych. Kiedy ci dwaj wynalazcy odkryli i udokumentowali zjawisko indukcji elektromagnetycznej, doprowadziło to do eksperymentów innych osób zarówno w Europie, jak i Ameryce Północnej.

1832 – Hippolyte Pixii (Francja) zbudował pierwsze dynamo przy użyciu komutatora, jego model tworzył impulsy elektryczne oddzielone od siebie brakiem prądu. Przez przypadek stworzył też pierwszy alternator. Nie wiedział, co zrobić ze zmieniającym się prądem, skupił się na próbie wyeliminowania prądu zmiennego, aby uzyskać prąd stały, to doprowadziło go do stworzenia komutatora.
Lata 1830-1860 – Bateria jest nadal najpotężniejszym sposobem dostarczania energii elektrycznej dla różnych eksperymentów prowadzonych w tym okresie. Elektryczność wciąż nie była opłacalna w handlu. Zasilany bateriami pociąg elektryczny z Waszyngtonu do Baltimore zawiódł, okazując się rażącym wstydem dla nowej dziedziny elektryczności. Po zmarnowaniu milionów dolarów para wciąż okazywała się lepszym źródłem energii. Elektryczność wciąż musiała okazać się niezawodna i opłacalna.
1860 – Antonio Pacinotti- Stworzył dynamo, które zapewniało ciągłe zasilanie prądem stałym
1867 – Werner Von Siemens i Charles Wheatstone stworzyli potężniejsze, bardziej użyteczne dynamo, które zamiast słabego magnesu stałego wykorzystywało w stojanie samozasilający się elektromagnes.
1871 – Zenobe Gramme wywołał komercyjną rewolucję w elektryczności. Wypełnił on pole magnetyczne żelaznym rdzeniem, który tworzył lepszą drogę dla strumienia magnetycznego. Zwiększyło to moc dynamo do tego stopnia, że można je było wykorzystać w wielu zastosowaniach komercyjnych.
1870 – Eksplozja nowych konstrukcji dynam, projekty były bardzo zróżnicowane, tylko kilka wyróżniało się wyższą wydajnością.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) opracował najbardziej wydajną i niezawodną konstrukcję dynamo, jaka kiedykolwiek powstała. Jego wynalazek został sprzedany przez Telegraph Supply Company.
1877 – Instytut Franklina (Filadelfia) przeprowadza testy dynam z całego świata. Rozgłos tego wydarzenia pobudza rozwój innych, takich jak Elihu Thomson, Lord Kelvin i Thomas Edison.

Powyżej: Long Legged Mary Edisona, dynamo odnoszące sukces komercyjny w jego systemach prądu stałego.1884

1878 – The Ganz Company zaczyna używać generatorów prądu zmiennego w małych instalacjach komercyjnych w Budapeszcie.
1880 – Charles F. Brush miał ponad 5000 działających lamp łukowych, stanowiących 80 procent wszystkich lamp na świecie. Rozpoczęła się ekonomiczna potęga ery elektrycznej.

1880-1886 – Systemy prądu zmiennego rozwijają się w Europie dzięki Siemensowi, Sabastianowi Ferrantiemu, Lucienowi Gaulardowi i innym. Dynamo DC króluje na lukratywnym rynku amerykańskim, wielu jest sceptycznie nastawionych do inwestowania w AC. Generatory prądu przemiennego były potężne, jednak sam generator nie był największym problemem. Systemy kontroli i dystrybucji prądu zmiennego musiały zostać ulepszone, zanim mogły konkurować z prądem stałym na rynku.

1886 – Na rynku północnoamerykańskim wynalazcy tacy jak William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla i Elihu Thomson opracowują własne systemy prądu zmiennego i projekty generatorów. Większość z nich wykorzystała generatory Siemensa i Ferrantiego jako podstawę swoich badań. William Stanley był w stanie szybko wynaleźć lepszy generator po tym, jak był niezadowolony z generatora Siemensa, którego użył w swoim pierwszym eksperymencie.

Powyżej: Generatory prądu zmiennego Siemensa używane w Londynie w 1885 r., w USA Edison niechętnie wskakiwał na pole prądu zmiennego, podczas gdy w Europie technologia rozwijała się szybko.

1886-1891 – Polifazowe generatory prądu zmiennego są opracowywane przez C.S. Bradly’ego (USA), Augusta Haselwandera (Niemcy), Michaiła Dolivo-Dobrovsky’ego (Niemcy/Rosja), Galileo Ferrarisa (Włochy) i innych. Systemy AC, które obejmują lepsze sterowanie i potężne silniki elektryczne, pozwalają AC konkurować.

1891 – Trójfazowy prąd zmienny okazuje się najlepszym systemem do wytwarzania i dystrybucji energii na Międzynarodowej Wystawie Elektrotechnicznej we Frankfurcie.

Generator trójfazowy zaprojektowany przez Michaiła Dolivo-Dobrovsky’ego używany na wystawie widać po lewej stronie.
1892 – Charles P. Steinmetz przedstawia w AIEE swój referat na temat histerezy. Zrozumienie matematyki prądu zmiennego przez Steinmetza zostaje opublikowane i pomaga zrewolucjonizować projektowanie systemów zasilania prądem zmiennym, w tym dużych generatorów prądu zmiennego.

1890s – Konstrukcja generatora zostaje szybko ulepszona dzięki sprzedaży komercyjnej i dostępnym pieniądzom na badania. Westinghouse, Siemens, Oerlikon i General Electric opracowują najpotężniejsze generatory na świecie. Niektóre generatory nadal działają 115 lat później. (Mechanicville, NY)

Powyżej: 1894 Elihu Thomson opracował wiele generatorów prądu zmiennego dla General Electric

Późniejszy generator Westinghouse 2000 kW 270 Volt z okresu po 1900 roku

3. Videos

Generatory Mechanicville z objaśnieniem historii (1897), zaprojektowane przez twórcę prądu zmiennego Charlesa P. Steinmetza

Generator Westinghouse w trakcie konstruowania i testowania (1905), zaprojektowany przez Olivera Shallenbergera, Teslę i innych w firmie Westinghouse.