Generatoare și dinamoare

Dezvoltarea și istoria componentei care a făcut ca energia electrică să devină pentru prima dată comercializabilă

Dinamoarele și generatoarele transformă rotația mecanică în energie electrică.

Dinamo – un dispozitiv care produce energie electrică în curent continuu folosind electromagnetismul. Este cunoscut și sub numele de generator, însă termenul generator se referă în mod normal la un „alternator” care creează energie electrică în curent alternativ.

Generator – în mod normal, acest termen este folosit pentru a descrie un alternator care creează energie electrică de curent alternativ folosind electromagnetismul.

Generatoarele, dinamoarele și bateriile sunt cele trei instrumente necesare pentru a crea/stoca cantități substanțiale de energie electrică pentru uz uman. Este posibil ca bateriile să fi fost descoperite încă din anul 248 î.Hr. Ele folosesc pur și simplu o reacție chimică pentru a produce și stoca electricitate. Oamenii de știință au experimentat cu bateria pentru a inventa prima lampă cu incandescență, motoarele și trenurile electrice și testele științifice. Cu toate acestea, bateriile nu erau fiabile sau rentabile pentru orice utilizare electrică obișnuită, iar dinamovira a fost cea care a transformat în mod radical electricitatea dintr-o curiozitate într-o tehnologie profitabilă și fiabilă.

1. Cum funcționează
2. Scurt istoric al dinamotoarelor și al generatoarelor
3. Videoclipuri cu generatoare

1. Cum funcționează
2.) Cum funcționează:

Bazele:

În primul rând aveți nevoie de o sursă de energie mecanică, cum ar fi o turbină (alimentată de căderea apei), o turbină eoliană, o turbină cu gaz sau o turbină cu abur. Un arbore de la unul dintre aceste dispozitive este conectat la un generator pentru a produce energie.

Dinamica și generatoarele funcționează folosind fenomenele sălbatice și complexe ale electromagnetismului. Înțelegerea comportamentului electromagnetismului, a câmpurilor sale și a efectelor sale reprezintă un vast subiect de studiu. Există un motiv pentru care a fost nevoie de 60 de ani DUPĂ prima baterie a lui Volta pentru a face să funcționeze un dinamo bun și puternic. Vom păstra lucrurile simple pentru a vă ajuta să vă introduceți în subiectul interesant al generării de energie.

În sensul cel mai elementar, un generator/dinamo este un magnet care se rotește în timp ce se află sub influența câmpului magnetic al unui alt magnet. Nu se poate vedea un câmp magnetic, dar acesta este adesea ilustrat cu ajutorul liniilor de flux. În ilustrația de mai sus, liniile de flux magnetic ar urma liniile create de pilitura de fier.

Generatorul/dinamo este alcătuit din magneți staționari (stator), care creează un câmp magnetic puternic, și un magnet rotativ (rotor) care distorsionează și taie liniile de flux magnetic ale statorului. Când rotorul taie liniile de flux magnetic, produce electricitate.

Dar de ce?

Datorită legii inducției lui Faraday, dacă luați un fir și îl mișcați înainte și înapoi într-un câmp magnetic, câmpul împinge electronii din metal. Cuprul are 27 de electroni, iar ultimii doi de pe orbită sunt împinși cu ușurință pe următorul atom. Această mișcare a electronilor este fluxul electric.

Vezi videoclipul de mai jos care arată cum este indus curentul într-un fir:

Dacă iei o mulțime de fire, cum ar fi într-o bobină, și le miști în câmp, creezi un „flux” mai puternic de electroni. Puterea generatorului dumneavoastră depinde de:

„l”-Lungimea conductorului în câmpul magnetic
„v”-Velocitatea conductorului (viteza rotorului)
„B”-intensitatea câmpului electromagnetic

Puteți face calcule folosind această formulă: e = B x l x v

Vezi videoclipul pentru a vedea toată această demonstrație:

Despre magneți:

Deasupra: un electromagnet simplu denumit solenoid. Termenul „solenoid” descrie de fapt forma tubulară creată de sârma înfășurată.

De obicei, magneții nu sunt făcuți din magnetită naturală sau dintr-un magnet permanent (cu excepția cazului în care este vorba de un generator mic), ci sunt sârme de cupru sau aluminiu înfășurate în jurul unui miez de fier. Fiecare bobină trebuie să fie alimentată cu o anumită putere pentru a o transforma într-un magnet. Această bobină în jurul fierului se numește solenoid. Solenoizii sunt folosiți în locul magnetitei naturale, deoarece solenoidul este MULT mai puternic. Un solenoid de mici dimensiuni poate crea un câmp magnetic foarte puternic.

Deasupra: Bobinele de sârmă din generatoare trebuie să fie izolate. Defectarea generatoarelor este cauzată de creșterea prea mare a temperaturilor, ceea ce duce la ruperea izolației și la un scurtcircuit între la firele paralele. Aflați mai multe despre firele >

Termeni:
Electromagnetism – studiul forțelor care se petrec între particulele încărcate electric
Rotor – parte a generatorului dinamovist care se rotește
Armătură – același lucru ca și rotorul
Flux – liniile de forță într-un câmp magnetic, se măsoară în densitate, unitatea SI de weber
Stator – magneții dintr-un generator/dinamo care nu se mișcă, ei stabilesc câmpul magnetic staționar
Solenoid – un magnet creat de o bobină de sârmă în jurul unui miez de fier/feroid (solenoidul înseamnă, din punct de vedere tehnic, forma acestui magnet, dar inginerii se referă la solenoid și electromagnet în mod interschimbabil.
Comutator – Aflați mai multe detalii despre ele aici
Cuplu – forța într-o mișcare de rotație

Dinamo

Dinamo este un termen mai vechi folosit pentru a descrie un generator care produce energie electrică în curent continuu. Energia de curent continuu trimite electronii într-o singură direcție. Problema cu un generator simplu este că atunci când rotorul se rotește, în cele din urmă se întoarce complet, inversând curentul. Primii inventatori nu au știut ce să facă cu acest curent alternativ, curentul alternativ este mai complex de controlat și de proiectat motoare și lumini. Inventatorii timpurii trebuiau să găsească o modalitate de a capta doar energia pozitivă a generatorului, așa că au inventat un comutator. Comutatorul este un comutator care permite curentului să circule doar într-o singură direcție.

Vezi videoclipul de mai jos pentru a vedea cum funcționează comutatorul:

Dinamo este formată din 3 componente majore: statorul, armătura și comutatorul.

Broșile fac parte din comutator, acestea trebuie să conducă electricitatea pe măsură ce mențin contactul cu armătura rotativă. Primele perii au fost adevărate „perii” de sârmă realizate din fire mici. Acestea s-au uzat ușor și au dezvoltat blocuri grafice pentru a face aceeași treabă.

Statorul este o structură fixă care face câmp magnetic, puteți face acest lucru într-un mic dinam mic folosind un magnet permanent. Pentru dinamoarele mari este nevoie de un electromagnet. Ambulajul este alcătuit din înfășurări de cupru spiralate care se rotesc în interiorul câmpului magnetic realizat de stator. Când înfășurările se mișcă, ele taie liniile de câmp magnetic. Acest lucru creează impulsuri de energie electrică. Comutatorul este necesar pentru a produce curent continuu. În curentul continuu, energia electrică circulă într-o singură direcție printr-un fir, problema este că armătura rotativă dintr-un dinamovist inversează curentul la fiecare jumătate de tură, așa că comutatorul este un comutator rotativ care deconectează energia electrică în timpul părții de curent inversat a ciclului.

Autoexcitație:

Din moment ce magneții dintr-un dinam sunt solenoizi, ei trebuie să fie alimentați pentru a funcționa. Așadar, pe lângă periile care preiau energia pentru a ieși în circuitul principal, există un alt set de peri care preiau energia de la armătură pentru a alimenta magneții statorului. Acest lucru este în regulă dacă dinamul este în funcțiune, dar cum pornești un dinam dacă nu ai energie pentru a porni?

Câteodată, armătura păstrează ceva magnetism în miezul de fier și, când începe să se rotească, produce o cantitate mică de energie, suficientă pentru a excita solenoizii din stator. Tensiunea începe apoi să crească până când dinamul este la putere maximă.

Dacă nu mai există magnetism în fierul armăturii, atunci de multe ori se folosește o baterie pentru a excita solenoizii din dinam pentru a o pune în funcțiune. Acest lucru se numește „flashing de câmp”.

Mai jos, în discuția despre cablarea dinamovistului, veți observa cum energia este dirijată prin solenoizi în mod diferit.

Există două moduri de cablare a unui dinamovist: bobinat în serie și bobinat în șunt. Vedeți diagramele pentru a afla diferența.

Despre mai jos, înregistrarea video a unui mic dinamo simplu, similar cu diagramele de mai sus (construit în anii 1890):

Generatorul

Generatorul diferă de dinamo prin faptul că produce energie de curent alternativ. În cazul energiei de curent alternativ, electronii circulă în ambele direcții. Abia în anii 1890, inginerii și-au dat seama cum să proiecteze motoare puternice, transformatoare și alte dispozitive care să folosească energia de curent alternativ într-un mod care să poată concura cu cea de curent continuu.

În timp ce alternatorul folosește comutatoare, generatorul folosește un inel colector cu perii pentru a prelua energia de pe rotor. Atașate la inelul de alunecare sunt „perii” din grafit sau carbon care sunt încărcate cu arc pentru a împinge peria pe inel. Acest lucru menține un flux constant de energie. Periile se uzează în timp și trebuie înlocuite.

Mai jos, video despre inele colectoare și perii, multe exemple de la vechi la nou:

Din vremea lui Gramme, în anii 1860, s-a constatat că cea mai bună metodă de a construi un dinam/generator era să se aranjeze bobinele magnetice în jurul unui cerc larg, cu o armătură largă care se rotește. Acest lucru arată diferit față de exemplele simple de dinamoare mici pe care le vedeți folosite în predarea modului de funcționare a dispozitivelor.

În fotografia de mai jos veți vedea clar o bobină pe armătură (restul au fost îndepărtate pentru întreținere) și alte bobine încorporate în stator.

Din anii 1890 până în prezent, curentul alternativ trifazat a fost forma standard de alimentare. Trei faze se realizează prin proiectarea generatorului.

Pentru a realiza un generator trifazat trebuie să plasați un anumit număr de magneți pe stator și pe armătură, toți cu spațierea corespunzătoare. Electromagnetismul este la fel de complex ca și cum ai avea de-a face cu valuri și apă, așa că trebuie să știi cum să controlezi câmpul prin proiectarea ta. Printre probleme se numără faptul că magnetul dvs. este atras în mod neuniform de miezul de fier, calcularea incorectă a distorsiunii câmpului magnetic (cu cât se învârte mai repede, cu atât mai mult câmpul este distorsionat), rezistența falsă în bobinele de armătură și o multitudine de alte probleme potențiale.

De ce 3 faze? dacă doriți să știți mai multe despre faze și de ce folosim 3 faze, vedeți videoclipul nostru cu pionierul transmisiei de putere Lionel Barthold.

2.) Un scurt istoric al dinamotoarelor și al generatoarelor:

Generatorul a evoluat în urma lucrărilor lui Michael Faraday și Joseph Henry în anii 1820. Odată ce acești doi inventatori au descoperit și documentat fenomenul inducției electromagnetice, aceasta a dus la experimentarea de către alții atât în Europa, cât și în America de Nord.

1832 – Hippolyte Pixii (Franța) a construit primul dinamovist folosind un comutator, modelul său creând impulsuri de electricitate separate de lipsa curentului. Tot el a creat, din greșeală, primul alternator. El nu știa ce să facă cu curentul schimbător, s-a concentrat asupra încercării de a elimina curentul alternativ pentru a obține curent continuu, acest lucru l-a condus la crearea comutatorului.
Anii 1830-1860 – Bateria este încă cel mai puternic mod de a furniza electricitate pentru diversele experimente care au loc în acea perioadă. Energia electrică nu era încă viabilă din punct de vedere comercial. Un tren electric alimentat cu baterii de la Washington DC la Baltimore a eșuat, dovedindu-se o rușine cruntă pentru noul domeniu al electricității. După milioane de dolari irosiți, aburul s-a dovedit a fi în continuare o sursă de energie mai bună. Electricitatea încă trebuia să se dovedească a fi fiabilă și viabilă din punct de vedere comercial.
1860 – Antonio Pacinotti- A creat un dinam care furniza energie continuă în curent continuu
1867 – Werner Von Siemens și Charles Wheatstone creează un dinam mai puternic și mai util, care folosea un electromagnet autoalimentat în stator în locul slabului magnet permanent.
1871 – Zenobe Gramme a declanșat revoluția comercială a electricității. El a umplut câmpul magnetic cu un miez de fier care făcea un traseu mai bun pentru fluxul magnetic. Acest lucru a mărit puterea dinamoarei până la punctul în care putea fi utilizată pentru multe aplicații comerciale.
Anii 1870 – A existat o explozie de noi modele de dinamoare, modelele au variat într-un sortiment sălbatic, doar câteva s-au remarcat ca fiind superioare ca eficiență.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) a dezvoltat cel mai eficient și mai fiabil proiect de dinamoară de până atunci. Invenția sa a fost vândută prin intermediul Telegraph Supply Company.
1877 – Institutul Franklin (Philadelphia) efectuează teste pe dinamoare din întreaga lume. Publicitatea de la acest eveniment stimulează dezvoltarea de către alții precum Elihu Thomson, Lord Kelvin și Thomas Edison.

Deasupra: Long Legged Mary a lui Edison, un dinam de succes comercial pentru sistemele sale de curent continuu. 1884

1878 – Compania Ganz începe să folosească generatoare de curent alternativ în instalații comerciale mici din Budapesta. 1880 – Charles F. Brush avea peste 5000 de lămpi cu arc electric în funcțiune, reprezentând 80% din toate lămpile din lume. Începuse puterea economică a erei electrice. 1880-1886 – Sistemele de curent alternativ se dezvoltă în Europa cu Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard și alții. Dinamo de curent continuu domnește pe piața americană profitabilă, mulți sunt sceptici să investească în curent alternativ. Generatoarele de curent alternativ erau puternice, însă nu doar generatorul era cea mai mare problemă. Sistemele de control și distribuție a curentului alternativ trebuiau să fie îmbunătățite înainte ca acesta să poată concura cu curentul continuu pe o piață. 1886 – Pe piața nord-americană, inventatori precum William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla și Elihu Thomson își dezvoltă propriile sisteme de curent alternativ și modele de generatoare. Cei mai mulți dintre ei au folosit ca bază de studiu generatoarele Siemens și Ferranti. William Stanley a reușit să inventeze rapid un generator mai bun după ce a fost nemulțumit de generatorul Siemens pe care l-a folosit în primul său experiment.

Deasupra: Generatoarele de curent alternativ Siemens folosite la Londra în 1885, în SUA Edison a fost reticent în a se arunca în domeniul curentului alternativ, în timp ce în Europa tehnologia se dezvolta rapid.

1886-1891 – Generatoarele de curent alternativ polifazate sunt dezvoltate de C.S. Bradly (SUA), August Haselwander (Germania), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Germania/Rusia), Galileo Ferraris (Italia) și alții. Sistemele de c.a. care includ un control mai bun și motoare electrice puternice permit c.a. să concureze.

1891 – Energia trifazată de c.a. se dovedește a fi cel mai bun sistem de generare și distribuție a energiei electrice la Expoziția Internațională de Electrotehnică de la Frankfurt. Generatorul trifazat proiectat de Mihail Dolivo-Dobrovsky folosit la expoziție se vede în stânga. 1892 – Charles P. Steinmetz își prezintă lucrarea la AIEE privind histerezisul. Înțelegerea de către Steinmetz a matematicii energiei de curent alternativ este publicată și ajută la revoluționarea proiectării sistemelor de alimentare de curent alternativ, inclusiv a generatoarelor mari de curent alternativ. Anii 1890 – Proiectarea generatoarelor este îmbunătățită rapid datorită vânzărilor comerciale și a banilor disponibili pentru cercetare. Westinghouse, Siemens, Oerlikon și General Electric dezvoltă cele mai puternice generatoare din lume. Unele generatoare funcționează încă 115 ani mai târziu. (Mechanicville, NY)

Deasupra: 1894 Elihu Thomson a dezvoltat mai multe generatoare de curent alternativ pentru General Electric

Un generator Westinghouse de 2000 kW 270 Volt de după 1900

3. Videoclipuri

Generatoare Mecanicville cu istoria explicată (1897), proiectate de geniul curentului alternativ Charles P. Steinmetz

Generatorul Westinghouse în curs de construcție și testare (1905), proiectat de Oliver Shallenberger, Tesla și alții la Westinghouse.

1895 Primele generatoare puternice folosite la Folsom, California (proiectate de Elihu Thompson, Dr. Louis Bell și alții la GE)

1891 Generator produs de Oerlikon pentru Expoziția Electrotehnică Internațională (proiectat de Dobrovolsky în Germania)

Subiecte înrudite:

Locomotive electrice diesel	Transformatoare	Istoria energiei electrice de curent alternativ.
Transmisii de putere	Motoare electrice	Fire și cabluri