Generatorer och dynamos

Utveckling och historia av den komponent som gjorde elektricitet kommersiellt möjlig för första gången

Dynamos och generatorer omvandlar mekanisk rotation till elektrisk kraft.

Dynamo – en anordning som gör likström till elektrisk kraft med hjälp av elektromagnetism. Den är också känd som en generator, men termen generator hänvisar normalt till en ”generator” som skapar växelströmskraft.

Generator – normalt används denna term för att beskriva en generator som skapar växelström med hjälp av elektromagnetism.

Generatorer, dynamos och batterier är de tre verktyg som behövs för att skapa/lagra betydande mängder elektricitet för mänskligt bruk. Batterier kan ha upptäckts så tidigt som 248 f.Kr. De använder helt enkelt en kemisk reaktion för att skapa och lagra elektricitet. Forskare experimenterade med batteriet för att uppfinna den första glödlampan, elektriska motorer och tåg samt vetenskapliga tester. Batterier var dock inte tillförlitliga eller kostnadseffektiva för regelbunden elektrisk användning. Det var dynamon som radikalt förvandlade elektricitet från en kuriositet till en lönsam och tillförlitlig teknik.

1. Hur den fungerar
2. Kort historik om dynamon och generatorer
3. Videor om generatorer

1.) Hur det fungerar:

Grundläggande:

Först behöver du en mekanisk kraftkälla som en turbin (som drivs av fallande vatten), vindturbin, gasturbin eller ångturbin. En axel från en av dessa anordningar kopplas till en generator för att skapa kraft.

Dynamon och generatorer fungerar med hjälp av elektromagnetismens vilda komplexa fenomen. Att förstå elektromagnetismens beteende, dess fält och dess effekter är ett stort studieämne. Det finns en anledning till att det tog 60 år EFTER Voltas första batteri att få en bra och kraftfull dynamo att fungera. Vi kommer att hålla det enkelt för att hjälpa till att introducera dig till det intressanta ämnet kraftgenerering.

I den mest grundläggande bemärkelsen är en generator/dynamo en magnet som roterar medan den befinner sig inom inflytandet av en annan magnets magnetfält. Man kan inte se ett magnetfält, men det illustreras ofta med hjälp av flödeslinjer. I illustrationen ovan skulle linjerna i det magnetiska flödet följa de linjer som skapas av järnfilamenten.

Generatorn/dynamon består av stationära magneter (stator) som skapar ett kraftfullt magnetfält och en roterande magnet (rotor) som förvränger och skär igenom statorns magnetiska flödeslinjer. När rotorn skär igenom linjerna i det magnetiska flödet skapas elektricitet.

Men varför?

På grund av Faradays induktionslag om man tar en tråd och flyttar den fram och tillbaka i ett magnetfält, trycker fältet på elektroner i metallen. Koppar har 27 elektroner, de sista två i banan skjuts lätt vidare till nästa atom. Denna rörelse av elektroner är ett elektriskt flöde.

Se videon nedan som visar hur ström induceras i en tråd:

Om du tar mycket tråd, till exempel i en spole, och flyttar den i fältet skapar du ett kraftigare ”flöde” av elektroner. Styrkan hos din generator beror på:

”l”-Längden på ledaren i magnetfältet
”v”-Ledarens hastighet (rotorns hastighet)
”B”-Styrkan hos det elektromagnetiska fältet

Du kan göra beräkningar med hjälp av denna formel: e = B x l x v

Se videon för att se allt detta demonstrerat:

Om magneterna:

Ovanför: en enkel elektromagnet som kallas solenoid. Termen ”solenoid” beskriver egentligen den rörform som skapas av den upprullade tråden.

Magneterna är vanligtvis inte gjorda av naturlig magnetit eller en permanentmagnet (om det inte är en liten generator), utan de består av koppar- eller aluminiumtråd som är upprullad runt en järnkärna. Varje spole måste få energi med någon form av kraft för att den ska bli en magnet. Denna spole runt järn kallas för en solenoid. Solenoider används i stället för naturlig magnetit eftersom solenoiden är MYCKET kraftfullare. En liten solenoid kan skapa ett mycket starkt magnetfält.

Ovanför: Trådspolarna i generatorerna måste vara isolerade. Generatorfel orsakas av att temperaturen stiger för högt, vilket leder till att isoleringen bryts ner och att det uppstår en kortslutning mellan de parallella trådarna. Läs mer om trådar >

Termer:
Elektromagnetism – studier av krafter som sker mellan elektriskt laddade partiklar
Rotor – del av generatorn i dynamo som roterar
Armatur – samma som en rotor
Flux – styrkelinjerna i ett magnetfält, det mäts i densitet, SI-enheten weber
Stator – magneter i en generator/dynamo som inte rör sig, de skapar det stationära magnetfältet
Solenoid – en magnet som skapas av en trådspole runt en järn-/järnkärna (solenoid betyder tekniskt sett formen på denna magnet, men ingenjörer hänvisar omväxlande till solenoid och elektromagnet.
Kommutator – Läs mer detaljer om dem här
Moment – kraft i en rotationsrörelse

Dynamo

Dynamo är en äldre term som används för att beskriva en generator som gör likströmsenergi. Likström skickar elektroner i endast en riktning. Problemet med en enkel generator är att när rotorn roterar så vänder den så småningom helt runt och vänder strömmen. Tidiga uppfinnare visste inte vad de skulle göra med denna växelström, växelström är mer komplicerat att styra och konstruera motorer och lampor för. Tidiga uppfinnare var tvungna att hitta ett sätt att bara fånga upp generatorns positiva energi, så de uppfann en kommutator. Kommutatorn är en strömbrytare som gör att strömmen endast kan flöda i en riktning.

Se videon nedan för att se hur kommutatorn fungerar:

Dynamon består av tre huvudkomponenter: statorn, ankaret och kommutatorn.

Borstar är en del av kommutatorn, borstarna måste leda elektricitet när de håller kontakt med den roterande ankaret. De första borstarna var riktiga trådborstar av små trådar. Dessa slet sig lätt och man utvecklade grafiska block för att göra samma sak.

Statorn är en fast struktur som skapar ett magnetfält, man kan göra detta i en liten dynamo med hjälp av en permanentmagnet. Stora dynamon kräver en elektromagnet. Armaturen består av spiralformade kopparlindningar som roterar i det magnetfält som skapas av statorn. När lindningarna rör sig skär de igenom linjerna i magnetfältet. Detta skapar pulser av elektrisk kraft. Kommutatorn behövs för att producera likström. I likström strömmar strömmen bara i en riktning genom en tråd, problemet är att den roterande armaturen i en dynamo vänder strömmen varje halvt varv, så kommutatorn är en roterande omkopplare som kopplar bort strömmen under den del av cykeln där strömmen vänds om.

Självspänning:

Då magneterna i en dynamo är solenoider måste de få ström för att fungera. Så förutom de borstar som tar strömmen till huvudkretsen finns det ytterligare en uppsättning borstar som tar strömmen från ankaret för att driva statorns magneter. Det är bra om dynamon är igång, men hur startar man en dynamo om man inte har någon ström att starta?

Undertiden behåller ankaret en del magnetism i järnkärnan, och när det börjar vrida sig ger det upphov till en liten mängd ström, tillräckligt för att excitera solenoiderna i statorn. Spänningen börjar då stiga tills dynamon har full effekt.

Om det inte finns någon magnetism kvar i ankarens järn, så används ofta ett batteri för att excitera solenoiderna i dynamon för att få igång den. Detta kallas ”field flashing”.

Under diskussionen om kabeldragning av dynamon kommer du att märka hur strömmen leds på olika sätt genom solenoiderna.

Det finns två sätt att koppla in en dynamo: serie- och shuntlindning. Se diagrammen för att lära dig skillnaden.

Nedan visas en video av en liten enkel dynamo som liknar diagrammen ovan (byggd på 1890-talet):

Generatorn

Generatorn skiljer sig från dynamon genom att den producerar växelström. Elektroner strömmar in i båda riktningarna i växelström. Det var inte förrän på 1890-talet som ingenjörer hade kommit på hur man kunde konstruera kraftfulla motorer, transformatorer och andra apparater som kunde använda växelström på ett sätt som kunde konkurrera med likström.

Medan växelströmsgeneratorn använder sig av kommutatorer använder sig generatorn av en slipring med borstar för att ta ut strömmen från rotorn. På glidringen sitter ”borstar” av grafit eller kol som är fjäderbelastade för att trycka borsten på ringen. På så sätt kan strömmen flöda konstant. Borstarna slits med tiden och måste bytas ut.

Nedan följer en video om slipringar och borstar, många exempel från gammalt till nytt:

Sedan Grammes tid på 1860-talet har man kommit fram till att det bästa sättet att bygga en dynamo/generator var att ordna magnetiska spolar runt en bred cirkel, med en bred snurrande armatur. Detta ser annorlunda ut än de enkla små dynamoexemplen som man ser användas i undervisningen om hur apparaterna fungerar.

På fotot nedan ser du tydligt en spole på armaturen (resten togs bort för service) och andra spolar som är inbyggda i statorn.

Från 1890-talet och fram till i dag har 3-fasig växelström varit den vanligaste formen av kraft. Tre faser görs genom generatorns utformning.

För att göra en trefasgenerator måste man placera ett visst antal magneter på statorn och armaturen, alla med rätt avstånd. Elektromagnetism är lika komplext som att hantera vågor och vatten, så du måste veta hur du kan styra fältet genom din konstruktion. Problem är bland annat att din magnet dras ojämnt till järnkärnan, felaktiga beräkningar av snedvridningen av magnetfältet (ju snabbare den snurrar, desto mer snedvrids fältet), oönskat motstånd i ankarspolarna och en myriad av andra potentiella problem.

Varför 3-fas? om du vill veta mer om faser och varför vi använder oss av 3-fas, se vår video med kraftöverföringspionjären Lionel Barthold.

2). En kort historia om dynamos och generatorer:

Generatorn utvecklades genom Michael Faradays och Joseph Henrys arbete på 1820-talet. När dessa två uppfinnare upptäckte och dokumenterade fenomenet elektromagnetisk induktion ledde det till experiment av andra i både Europa och Nordamerika.

1832 – Hippolyte Pixii (Frankrike) byggde den första dynamon med hjälp av en kommutator. Han skapade också av en slump den första generatorn. Han visste inte vad han skulle göra med den växlande strömmen, han koncentrerade sig på att försöka eliminera växelströmmen för att få likström, detta ledde till att han skapade kommutatorn.
1830-1860-tal – Batteriet är fortfarande det kraftfullaste sättet att leverera elektricitet för de olika experiment som pågick under den perioden. Elektricitet var fortfarande inte kommersiellt gångbart. Ett batteridrivet elektriskt tåg från Washington DC till Baltimore misslyckades, vilket var en stor skam för det nya elområdet. Efter att miljontals dollar slösats bort visade sig ånga fortfarande vara en bättre kraftkälla. Elektriciteten behövde fortfarande visa sig vara tillförlitlig och kommersiellt gångbar.
1860 – Antonio Pacinotti – Skapade en dynamo som gav kontinuerlig likström
1867 – Werner Von Siemens och Charles Wheatstone skapade en kraftfullare och mer användbar dynamo som använde en självförsörjande elektromagnet i statorn i stället för den svaga permanentmagneten.
1871 – Zenobe Gramme utlöste den kommersiella revolutionen av elektricitet. Han fyllde magnetfältet med en järnkärna som gjorde en bättre väg för det magnetiska flödet. Detta ökade dynamons effekt så mycket att den kunde användas för många kommersiella tillämpningar.
1870-talet – Det skedde en explosion av nya konstruktioner av dynamon, konstruktionerna var mycket varierande, men endast några få utmärkte sig genom sin överlägsna effektivitet.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) utvecklade den effektivaste och mest tillförlitliga dynamokonstruktionen som hittills hade funnits. Hans uppfinningar såldes genom Telegraph Supply Company.
1877 – Franklin Institute (Philadelphia) genomför tester av dynamon från hela världen. Publicitet från denna händelse sporrar utveckling av andra som Elihu Thomson, Lord Kelvin och Thomas Edison.

Ovanför: Edisons Long Legged Mary, en kommersiellt framgångsrik dynamo för hans likströmsystem 1884

1878 – Ganz Company börjar använda växelströmsgeneratorer i små kommersiella installationer i Budapest. 1880 – Charles F. Brush hade över 5 000 ljusbågslampor i drift, vilket representerade 80 procent av alla lampor i världen. Den elektriska tidsålderns ekonomiska makt hade börjat. 1880-1886 – Växelströmssystem utvecklas i Europa med Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard och andra. Likströmsdynamon råder på den lukrativa amerikanska marknaden, många är skeptiska till att investera i växelström. Växelströmsgeneratorer var kraftfulla, men generatorn ensam var inte det största problemet. Systemen för styrning och distribution av växelströmmen måste förbättras innan den kunde konkurrera med likström på en marknad. 1886 – På den nordamerikanska marknaden utvecklar uppfinnare som William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla och Elihu Thomson sina egna växelströmssystem och generatorkonstruktioner. De flesta av dem använde Siemens och Ferranti generatorer som grund för sina studier. William Stanley kunde snabbt uppfinna en bättre generator efter att ha varit missnöjd med den Siemensgenerator som han använde i sitt första experiment.

Ovanför: I USA var Edison tveksam till att ge sig in på växelströmsområdet medan tekniken utvecklades snabbt i Europa.

1886-1891 – Flerfasiga växelströmsgeneratorer utvecklas av C.S. Bradly (USA), August Haselwander (Tyskland), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Tyskland/Ryssland), Galileo Ferraris (Italien) och andra. Växelströmssystem som innefattar bättre styrning och kraftfulla elmotorer gör att växelströmmen kan konkurrera.

1891 – Trefasig växelström visar sig vara det bästa systemet för kraftgenerering och kraftdistribution vid den internationella elektrotekniska utställningen i Frankfurt. Den trefasgenerator konstruerad av Mikhail Dolivo-Dobrovsky som användes vid utställningen syns till vänster. 1892 – Charles P. Steinmetz lägger fram sin uppsats om hysterese vid AIEE. Steinmetz förståelse av matematiken för växelström publiceras och bidrar till att revolutionera konstruktionen av växelströmssystem, inklusive stora växelströmsgeneratorer. 1890-talet – Generatorkonstruktionen förbättras snabbt tack vare kommersiell försäljning och tillgängliga pengar för forskning. Westinghouse, Siemens, Oerlikon och General Electric utvecklar världens mest kraftfulla generatorer. Vissa generatorer fungerar fortfarande 115 år senare. (Mechanicville, NY)

Ovanför: 1894 Elihu Thomson utvecklade många växelströmsgeneratorer för General Electric

En senare Westinghouse 2000 kW 270 Volt generator från efter 1900

3. Videor

Mechanicville generatorer med förklarad historia (1897), konstruerad av växelströmshjärnan Charles P. Steinmetz

Westinghouse generator som byggs och testas (1905), konstruerad av Oliver Shallenberger, Tesla och andra på Westinghouse.

1895 Tidiga kraftfulla generatorer som användes i Folsom, CA (konstruerade av Elihu Thompson, Dr. Louis Bell och andra vid GE)

1891 Generator tillverkad av Oerlikon för den internationella elektrotekniska utställningen (konstruerad av Dobrovolsky i Tyskland)

Relaterade ämnen:

Dieselelektriska lokomotiv	Transformatorer	Växelkrafthistoria
Kraftöverföring	Elektriska motorer	Trådar och kablar