Générateurs et Dynamos
Développement et historique de la composante qui a fait l'électricité d'abord commercialement faisable
Dynamos et générateurs convertir une rotation mécanique en énergie électrique.
Dynamo - un dispositif qui rend l'énergie électrique à courant continu utilisant électromagnétisme. Il est également connu comme un générateur, mais le générateur terme se réfère normalement à un « alternateur » qui crée un courant alternatif.
Générateur - normalement ce terme est utilisé pour décrire un alternateur qui crée courant alternatif en utilisant l'électromagnétisme.
1.) Comment ça marche:
D'abord, vous avez besoin d'une source d'énergie mécanique comme une turbine (alimentée par la chute d'eau), éolienne, turbine à gaz ou turbine à vapeur. Un arbre de l'un de ces dispositifs est relié à un générateur pour rendre l'énergie.
Dynamos et générateurs fonctionnent en utilisant les phénomènes complexes sauvages de l'électromagnétisme. Comprendre le comportement de l'électromagnétisme, ses champs et ses effets est un grand sujet d'étude. Il y a une raison pour laquelle il a fallu 60 ans après la première batterie pour obtenir une bonne puissance de travail de dynamo de Volta. Nous allons garder les choses simples pour vous aider à présenter au sujet intéressant la production d'électricité.
Dans le sens le plus élémentaire un générateur / dynamo est un aimant rotatif tandis qu'à l'intérieur de l'influence du champ magnétique d'un autre aimant. Vous ne pouvez pas voir un champ magnétique, mais il est souvent illustré en utilisant des lignes de flux. Dans l'illustration ci-dessus les lignes de flux magnétique suivraient les lignes créées par les dépôts de fer.
Le générateur / dynamo est constitué d'aimants fixes (stator) qui créent un champ magnétique puissant, et un aimant rotatif (rotor) qui déforme et coupe à travers les lignes magnétiques de flux du stator. Lorsque le rotor coupe à travers les lignes de flux magnétique, il produit de l'électricité.
En raison de la loi de Faraday de l'induction si vous prenez un fil et déplacez-et-vient dans un champ magnétique, le champ pousse sur les électrons dans le métal. Le cuivre a 27 électrons, les deux derniers sur l'orbite sont facilement poussé à l'autre atome. Ce mouvement d'électrons est le flux électrique.
Voir la vidéo ci-dessous montre comment est courant induit dans un fil:
Si vous prenez beaucoup de fil comme dans une bobine et se déplacer dans le champ, vous créez un « flux » plus puissant des électrons. La force de votre générateur dépend:
« L » -Longueur du conducteur dans le champ magnétique
« V » -Velocity du conducteur (vitesse de rotation du rotor)
« B » -Force du champ électromagnétique
Vous pouvez faire des calculs en utilisant cette formule: e = B x l x v
Voir la vidéo pour voir tout cela a démontré:
A propos des aimants:
Ci-dessus: un électro-aimant simple, appelé électro-aimant. Le terme « solénoïde » décrit en fait la forme tubulaire créée par le fil enroulé.
Les aimants ne sont généralement pas réalisées en magnetite naturelle ou un aimant permanent (à moins qu'il soit un petit générateur) mais elles sont des fils de cuivre ou d'aluminium enroulée autour d'un noyau de fer. Chaque bobine doit être mis sous tension avec un certain pouvoir pour en faire un aimant. Cette bobine autour du fer est appelé un solénoïde. Solénoïdes sont utilisés à la place de la magnétite naturelle parce que le solénoïde est beaucoup plus puissant. Un petit solénoïde peut créer un champ magnétique très fort.
Ci-dessus: les bobines de fil dans les générateurs doivent être isolés. défaillance du générateur est provoquée par la hausse des températures trop élevées qui se traduit par une rupture de l'isolation et un court-circuit entre des fils parallèles. En savoir plus sur les fils>
Termes :
Électromagnétisme - étude des forces qui se produisent entre les particules chargées électriquement
Rotor - partie du générateur de dynamo qui tourne
Armature - même en tant que rotor
Flux - les lignes de force dans un champ magnétique, elle est mesurée en densité, unité de mesure de Weber
Stator - aimants dans un générateur / dynamo qui ne bougent pas, ils établissent le champ magnétique stationnaire
Electrovanne - un aimant créé par une bobine de fil autour d'un noyau de fer / ferris (électro-aimant des moyens techniquement la forme de cet aimant, mais les ingénieurs se réfèrent à solénoïde électro-aimant et de façon interchangeable.
Commutator - En savoir plus en détail à leur sujet ici
Couple de serrage - la force dans un mouvement de rotation
Voir aussi notre page sur l'induction.
le Dynamo
Dynamo est un terme plus utilisé pour décrire un générateur qui rend alimentation en courant continu. alimentation en courant continu envoie des électrons dans une seule direction. Le problème avec un générateur simple est que lorsque le rotor tourne, il tourne finalement complètement autour, inverser le courant. Les premiers inventeurs ne savaient pas quoi faire avec ce courant alternatif, courant alternatif est plus complexe pour contrôler et moteurs de conception et d'éclairage pour. Les premiers inventeurs devaient trouver un moyen de ne capturer que l'énergie positive du générateur, donc ils ont inventé un commutateur. Le commutateur est un commutateur qui permet au courant de circuler dans une seule direction.
Voir la vidéo ci-dessous pour voir comment fonctionne le commutateur:
La dynamo est constitué de 3 éléments principaux. le stator, l'armature et le collecteur.
Le stator est une structure fixe qui fait un champ magnétique, vous pouvez le faire dans une petite dynamo en utilisant un aimant permanent. Les grandes dynamos ont besoin d'un électro-aimant.
L'armature est faite d'enroulements de cuivre enroulé qui tournent à l'intérieur du champ magnétique constitué par le stator. Lorsque les enroulements se déplacent, ils coupent les lignes de champ magnétique. Cela crée des impulsions d'énergie électrique.
Le commutateur est nécessaire pour produire un courant continu. Dans les flux de courant continu dans un seul sens par l'intermédiaire d'un fil, le problème est que l'induit tournant dans une dynamo inverse chaque demi-tour en cours, de sorte que le commutateur est un commutateur rotatif qui déconnecte l'alimentation pendant la partie de courant inverse du cycle.
Étant donné que les aimants dans une dynamo sont solénoïdes, ils doivent être mis au travail. Ainsi, en plus des brosses dont le pouvoir robinet pour sortir au circuit principal, il y a un autre ensemble de pinceaux pour prendre le pouvoir de de l'armature pour alimenter les aimants du stator. C'est très bien si la dynamo est en cours d'exécution, mais comment voulez-vous commencer une dynamo si vous avez pas le pouvoir de commencer?
Parfois, l'armature conserve un certain magnétisme dans le noyau de fer, et quand il commence à tourner fait une petite quantité d'énergie, assez pour exciter les électro-aimants dans le stator. Tension commence alors à monter jusqu'à ce que la dynamo est à pleine puissance.
S'il n'y a pas le magnétisme laissé dans le fer de l'armature, que souvent une batterie est utilisée pour exciter les électro-aimants dans la dynamo pour le faire démarrer. Ceci est appelé « clignotant sur le terrain ».
Ci-dessous dans la discussion du câblage de la dynamo, vous remarquerez que la puissance est acheminée à travers les solénoïdes différemment.
Il y a deux façons de câblage: une dynamo à enroulement série et enroulées de dérivation. Voir les diagrammes pour apprendre la différence.
Ci-dessous, la vidéo d'une simple petite dynamo similaire aux schémas ci-dessus (construit dans les années 1890):
le générateur
Le générateur diffère de la dynamo en ce qu 'elle produit l'alimentation secteur. Les électrons circulent dans les deux sens dans de l'alimentation secteur. Il a fallu attendre les années 1890 que les ingénieurs avaient compris comment concevoir des moteurs puissants, des transformateurs et d'autres appareils qui pourraient utiliser l'alimentation secteur d'une manière qui pourrait rivaliser avec la puissance DC.
Bien que l'alternateur utilise des commutateurs, le générateur utilise un anneau de glissement avec des brosses pour exploiter la mise hors tension du rotor. Attaché à la bague de glissement sont des « pinceaux » de graphite ou de carbone qui sont à ressort pour pousser la brosse sur l'anneau. Cela permet de maintenir la puissance constante qui coule. Brosses s'usés au fil du temps et doivent être remplacés.
Ci-dessous, la vidéo des bagues et des brosses, de nombreux exemples de vieux à nouveau:
Depuis le temps de Gramme dans les années 1860, il a été pensé que la meilleure façon de construire une dynamo / générateur est d'organiser des bobines magnétiques autour d'un grand cercle, avec une armature large de filature. Cela semble différent des exemples simples de petite dynamo que vous voyez utilisés dans l'enseignement de la façon dont fonctionnent les appareils.
Sur la photo ci-dessous, vous verrez clairement une bobine sur l'armature (les autres ont été enlevées pour l'entretien) et d'autres bobines intégrées dans le stator.
Des années 1890 jusqu'à ce que l'alimentation secteur de phase 3 aujourd'hui a été la forme standard du pouvoir. Trois phases se fait grâce à la conception du générateur.
Pour un générateur triphasé, vous devez placer un certain nombre d'aimants sur votre stator et l'armature, le tout avec un espacement approprié. Électromagnétisme est aussi complexe que le traitement avec des vagues et de l'eau, de sorte que vous devez savoir comment contrôler le terrain grâce à votre conception. Les problèmes incluent avoir votre aimant inégalement attiré par le noyau de fer, des calculs incorrects de la distorsion du champ magnétique (plus vite il tourne, plus le champ est déformée), la résistance parasite dans les bobines d'induit, et une myriade d'autres problèmes potentiels.
Pourquoi 3 phases? si vous voulez en savoir plus sur les phases et pourquoi nous utilisons trois phases, voir notre vidéo avec le pionnier de la transmission de puissance Lionel Barthold.
2.) Un bref historique des dynamos et générateurs:
Le générateur a évolué du travail par Michael Faraday et Joseph Henry dans les années 1820. Une fois ces deux inventeurs ont découvert et documenté les phénomènes d'induction électromagnétique, il conduit à l'expérimentation par d'autres en Europe et en Amérique du Nord.
1832 - Hippolyte Pixii (France) construit la première dynamo à l'aide d'un commutateur, ses impulsions modèle créé d'électricité séparés par aucun courant. Il a également créé par hasard le premier alternateur. Il ne savait pas quoi faire avec le courant changeant, il se concentre à essayer d'éliminer le courant alternatif pour obtenir courant continu, ce qui lui a conduit à créer le collecteur.
-1860s des années 1830 - La batterie est encore le moyen le plus puissant pour alimenter en électricité les différentes expériences en cours dans cette période. L'électricité était toujours pas commercialement viable. Une batterie alimenté train électrique de Washington DC à Baltimore échoué, ce qui prouve une gêne brute au nouveau domaine de l'électricité. Après des millions de dollars gaspillés prouvé encore la vapeur pour être une meilleure source d'énergie. L'électricité doit encore prouver pour être fiable et commercialement viable.
1860 - Antonio Pacinotti - Création d'une dynamo qui a fourni la puissance DC continue
1867 - Werner Von Siemens et Charles Wheatstone créer une dynamo plus puissante, plus utile, qui a utilisé un électro-aimant auto-alimenté dans le stator au lieu de l'aimant permanent faible.
1871 - Zenobe Gramme déclencha la révolution commerciale de l'électricité. Il remplit le champ magnétique avec un noyau de fer qui fait un meilleur chemin pour le flux magnétique. Cette augmentation de la puissance de la dynamo au point était qu'il était utilisable pour de nombreuses applications commerciales.
1870s - Il y avait une explosion de nouveaux modèles en dynamos, conceptions allait un assortiment sauvage, seuls quelques-uns se sont démarqués comme étant supérieurs en matière d'efficacité.
1876 - Charles F. Brush (Ohio) a développé la dynamo la plus efficace et fiable conception jamais à ce point. Ses inventions ont été vendues par le Telegraph Supply Company.
1877 - L'Institut Franklin (Philadelphie) effectue test sur dynamos de partout dans le monde. Publicité de cet événement stimule le développement par d'autres comme Thomson Elihu. Lord Kelvin, et Thomas Edison.
1878 - La société Ganz commence à utiliser des générateurs AC dans les petites installations commerciales à Budapest.
1880 - Charles F. Brush avait plus de 5000 lumières d'arc en fonctionnement, ce qui représente 80 pour cent de l'ensemble monde lampes de large. La puissance économique de l'âge électrique avait commencé.
Ci-dessus: générateurs Siemens AC utilisés à Londres en 1885, aux États-Unis Edison était réticent à sauter dans le champ d'alimentation alors qu'en Europe la technologie se développe rapidement.
1891 - triphasé courant alternatif se révèle être le meilleur système pour la production d'électricité et la distribution à l'exposition électrotechnique internationale à Francfort.
Le générateur triphasé conçu par Mikhail Dolivo-Dobrovsky utilisé lors de l'exposition est vue à gauche.
1892 - Charles P. Steinmetz présente son papier à l'AIEE sur hystérésis. La compréhension de Steinmetz des mathématiques de courant alternatif est publié et contribue à révolutionner la conception du système d'alimentation, y compris les grands générateurs de courant alternatif.
1890. - la conception du générateur est améliorée rapidement grâce à des ventes commerciales et de l'argent disponible pour la recherche. Westinghouse, Siemens, Oerlikon et General Electric développent des générateurs les plus puissants du monde. Certains générateurs fonctionnent encore 115 ans plus tard. (Mechanicville, NY)
Ci-dessus: 1894 Elihu Thomson a développé de nombreux générateurs AC pour General Electric
Mechanicville Générateurs avec l'histoire expliqué (1897), conçu par Charles P. AC mastermind Steinmetz
Westinghouse Générateur construit et testé (1905), conçu par Oliver Shallenberger, Tesla et d'autres à Westinghouse.
1895 générateurs puissants utilisés au début Folsom, CA (conçu par Elihu Thompson, le Dr Louis Bell, et d'autres à GE)
1891 Générateur produit par Oerlikon pour l'exposition électrotechnique internationale (conçue par Dobrovolsky en Allemagne)
Sources:
-L'histoire de General Electric - par le Temple de l'Histoire. Schenectady, NY 1989 Second Edition
-Wikipédia (générateurs, Charles Brush)
-Wikipedia (Commutator)
-Les directeurs de l'électricité - par General Electric
-Histoire de Power AC - Edison Tech Center
-Hawkins Guide électrique
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