Desenvolvimento e História do componente que tornou a eletricidade comercialmente viável.
Dínamos e Geradores convertem a rotação mecânica em energia elétrica.
Dynamo – um dispositivo que faz corrente elétrica de corrente contínua usando eletromagnetismo. Também é conhecido como gerador, no entanto, o termo gerador normalmente se refere a um “alternador” que cria uma corrente alternada.
Gerador – normalmente este termo é usado para descrever um alternador que cria energia CA usando eletromagnetismo.
Geradores, dínamos e baterias são as três ferramentas necessárias para criar / armazenar quantidades substanciais de eletricidade para uso humano. As baterias podem ter sido descobertas em 248 aC. Eles simplesmente usam reação química para fazer e armazenar eletricidade. Os cientistas experimentaram a bateria para inventar a lâmpada incandescente inicial, motores elétricos e trens e testes científicos. No entanto, as baterias não eram confiáveis ou econômicas para qualquer uso elétrico regular, foi o dínamo que mudou radicalmente a eletricidade de uma curiosidade para uma tecnologia confiável e lucrativa.
- Como Funciona
2. Breve História de Dínamos e Geradores
3. Vídeos de geradores
1.) Como funciona:
Básico:
Primeiro você precisa de uma fonte de energia mecânica, como uma turbina (alimentada pela queda de água), turbina eólica, turbina a gás ou turbina a vapor. Um eixo de um desses dispositivos é conectado a um gerador para gerar energia.
Dínamos e geradores funcionam usando os complexos fenômenos do eletromagnetismo. Entender o comportamento do eletromagnetismo, seus campos e seus efeitos é um grande assunto de estudo. Há uma razão pela qual levou 60 anos DEPOIS da primeira bateria para conseguir um bom e poderoso dínamo funcionando. Vamos manter as coisas simples para ajudar a apresentar o assunto interessante da geração de energia.
No sentido mais básico, um gerador / dínamo é um ímã girando enquanto está dentro da influência do campo magnético de outro ímã. Você não pode ver um campo magnético, mas é frequentemente ilustrado usando linhas de fluxo. Na ilustração acima, linhas de fluxo magnético seguiriam as linhas criadas pelas limalhas de ferro.
O gerador / dínamo é constituído por imãs estacionários (estator) que criam um poderoso campo magnético e um imã rotativo (rotor) que distorce e corta as linhas magnéticas de fluxo do estator. Quando o rotor corta linhas de fluxo magnético, produz eletricidade.
Mas por que?
Devido à Lei da Indução de Faraday, se você pegar um fio e movê-lo para frente e para trás em um campo magnético, o campo empurra os elétrons no metal. O cobre tem 27 elétrons, os dois últimos na órbita são facilmente empurrados para o próximo átomo. Este movimento de elétrons é o fluxo elétrico.
Se você pegar muito arame como em uma bobina e movê-lo no campo, você cria um “fluxo” mais poderoso de elétrons. A força do seu gerador depende de:
“l” – Comprimento do condutor no campo magnético
“v” – Velocidade do condutor (velocidade do rotor)
“B” – Resistência do campo eletromagnético
Você pode fazer cálculos usando esta fórmula: e = B xlxv
Sobre os ímãs:
Um eletroímã simples chamado de solenóide. O termo “solenóide” na verdade descreve a forma tubular criada pelo fio enrolado.
Os ímãs geralmente não são feitos de magnetita natural ou de um imã permanente (a menos que seja um pequeno gerador), mas são fios de cobre ou alumínio enrolados em torno de um núcleo de ferro. Cada bobina deve ser energizada com algum poder para transformá-la em um ímã. Esta bobina em torno de ferro é chamada de solenóide. Solenóides são usados em vez de magnetita natural porque o solenoide é MUITO mais poderoso. Um pequeno solenoide pode criar um campo magnético muito forte.
As bobinas de fio nos geradores devem ser isoladas. A falha do gerador é causada pelo aumento excessivo da temperatura, o que resulta em um colapso do isolamento e uma curta distância entre os fios paralelos.
Termos :
Eletromagnetismo – estudo de forças que acontecem entre partículas carregadas eletricamente
Rotor – parte do gerador de dínamo que gira
Armadura – o mesmo que um rotor
Fluxo – as linhas de força em um campo magnético, é medido em densidade, unidade SI de weber
Estator – ímãs em um gerador / dínamo que não se movem, eles estabelecem o campo magnético estacionário
Solenóide – um ímã criado por uma bobina de fio em torno de um núcleo de ferro / ferris (solenoide tecnicamente significa a forma desse ímã, mas engenheiros referem-se a solenóide e eletroímã alternadamente.
Commutator– Saiba mais detalhes sobre eles aqui
Torque – força em movimento rotacional
O Dínamo
Dínamo é um termo antigo usado para descrever um gerador que faz corrente de energia continua. A energia CC envia elétrons em apenas uma direção. O problema com um gerador simples é que, quando o rotor gira, ele gira completamente, invertendo a corrente. Os inventores não souberam o que fazer com esta corrente alternada, corrente alternada é mais complexa para controlar e projetar motores e luzes para. Os primeiros inventores tinham que descobrir uma maneira de capturar apenas a energia positiva do gerador, então inventaram um comutador. O comutador é um interruptor que permite que a corrente flua somente em uma direção.
O Dinamo consiste em 3 componentes principais: o estator, a armadura e o comutador.
O estator é uma estrutura fixa que faz campo magnético, você pode fazer isso em um pequeno dínamo usando um imã permanente. Grandes dínamos requerem um eletroímã
A armadura é feita de enrolamentos de cobre enrolados que giram dentro do campo magnético feito pelo estator. Quando os enrolamentos se movem, cortam as linhas do campo magnético. Isso cria pulsos de energia elétrica. O comutador é necessário para produzir corrente contínua. Em corrente contínua a energia flui em apenas uma direção através de um fio, o problema é que a armadura rotativa em um dínamo inverte a corrente a cada meia volta, então o comutador é um comutador rotativo que desconecta a energia durante a parte de corrente invertida do ciclo.
As escovas fazem parte do comutador, as escovas devem conduzir a eletricidade como o contato manter com a armadura rotativa. As primeiras escovas eram “escovas” de fio feitas de pequenos arames. Estes desgastaram-se facilmente e desenvolveram blocos gráficos para fazer o mesmo trabalho.
Auto excitação:
Como os ímãs de um dínamo são solenóides, eles precisam ser acionados para funcionar. Portanto, além das escovas que ligam a energia para sair para o circuito principal, há outro conjunto de escovas para tirar a energia da armadura para alimentar os ímãs do estator. Tudo bem se o dínamo está rodando, mas como você inicia um dínamo se você não tem poder para começar?
Às vezes, a armadura retém algum magnetismo no núcleo de ferro e, quando começa a girar, produz uma pequena quantidade de energia, suficiente para excitar os solenóides do estator. A tensão começa então a subir até que o dínamo esteja em potência máxima.
Se não houver magnetismo no ferro da armadura, muitas vezes uma bateria é usada para excitar os solenóides do dínamo. Isso é chamado de “campo intermitente”.
Abaixo, na discussão da fiação do dínamo, você notará como a energia é roteada pelos solenóides de maneira diferente.
Existem duas formas de ligar um dínamo: ligação em série e Ligação em derivação. Veja os diagramas para aprender a diferença.
O gerador
O gerador é diferente do dínamo na medida em que produz energia AC. Os elétrons fluem em ambas as direções em corrente alternada. Não foi até a década de 1890 que os engenheiros descobriram como projetar motores potentes, transformadores e outros dispositivos que poderiam usar a energia AC de uma forma que pudesse competir com a energia DC. Enquanto o alternador usa comutadores, o gerador usa um anel deslizante com escovas para tocar a energia do rotor. Anexado ao anel deslizante estão grafite ou “escovas” de carbono que são carregadas por mola para empurrar a escova sobre o anel. Isso mantém o poder fluindo de forma consistente. As escovas se desgastam com o tempo e precisam ser substituídas
Desde a época do Gramme, na década de 1860, foi descoberto que a melhor maneira de construir um dínamo / gerador era organizar bobinas magnéticas em torno de um círculo amplo, com uma armadura giratória larga. Isso parece diferente dos exemplos simples de pequeno dínamo que você vê usados no ensino de como os dispositivos funcionam.
Na foto abaixo você verá claramente uma bobina na armadura (o restante foi removido para manutenção) e outras bobinas embutidas no estator.
A partir de 1890 até os dias de hoje, a energia de CA de fase foi a forma padrão de energia. Três fases são feitas através do projeto do gerador.
Para fazer um gerador trifásico você tem que colocar um certo número de ímãs em seu estator e armadura, todos com espaçamento adequado. O eletromagnetismo é tão complexo quanto lidar com ondas e água, então você precisa saber como controlar o campo através do seu design. Os problemas incluem ter seu ímã atraído de maneira desigual pelo núcleo de ferro, cálculos impróprios da distorção do campo magnético (quanto mais rápido ele gira, mais o campo é distorcido), resistência espúria nas bobinas da armadura e uma certa quantidade de outros problemas potenciais.
2.) Uma Breve História de Dínamos e Geradores:
O gerador evoluiu do trabalho de Michael Faraday e Joseph Henry na década de 1820. Uma vez que esses dois inventores descobriram e documentaram os fenômenos da indução eletromagnética, isso levou à experimentação de outros tanto na Europa quanto na América do Norte. 1832 – Hippolyte Pixii (França) construiu o primeiro dínamo usando um comutador, seu modelo criou pulsos de eletricidade separados por nenhuma corrente. Ele também por acidente criou o primeiro alternador. Ele não sabia o que fazer com a corrente em mudança, ele se concentrou em tentar eliminar a corrente alternada para obter energia DC, isso o levou a criar o comutador.
1830s – 1860s– A bateria ainda é a maneira mais poderosa de fornecer eletricidade para as várias experiências que estão ocorrendo nesse período. A eletricidade ainda não era comercialmente viável. Um trem elétrico movido a bateria de Washington DC para Baltimore falhou, provando um grande constrangimento ao novo campo de eletricidade. Depois de milhões de dólares desperdiçados vapor ainda provou ser uma melhor fonte de energia. A eletricidade ainda precisava ser confiável e comercialmente viável.
1860 – Antonio Pacinotti – Criou um dínamo que fornecia energia DC contínua
1867 – Werner Von Siemens e Charles Wheatstone criaram um dínamo mais poderoso e mais útil que usasse um eletroímã com alimentação própria no estator, em vez do ímã permanente fraco.
1871 – Zenobe Gramme desencadeou a revolução comercial da eletricidade. Ele encheu o campo magnético com um núcleo de ferro que fez um caminho melhor para o fluxo magnético. Isso aumentou o poder do dínamo ao ponto de ser útil para muitas aplicações comerciais.
1870 – Houve uma explosão de novos projetos em dínamos, os projetos variavam de acordo com a variedade, apenas alguns se destacavam como sendo superiores em eficiência.
1876 - Charles F. Brush (Ohio) desenvolveu o design de dínamo mais eficiente e confiável até aquele momento. Suas invenções foram vendidas através da Telegraph Supply Company.
1877 – O Instituto Franklin (Filadélfia) realiza testes em dínamos de todo o mundo. A publicidade deste evento estimula o desenvolvimento de outros como Elihu Thomson, Lord Kelvin e Thomas Edison.
Edison’s Long Legged Mary, um dínamo de sucesso comercial para seus sistemas DC 1884
1878 – A Companhia Ganz começa a usar geradores AC em pequenas instalações comerciais em Budapeste.
1880 – Charles F. Brush tinha mais de 5000 luzes de arco em operação, representando 80% de todas as lâmpadas em todo o mundo. O poder econômico da era da eletricidade havia começado.
1880 – 1886 – Sistemas de corrente alternada se desenvolvem na Europa com a Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard e outros. Os dínamos da DC reinam no lucrativo mercado americano, muitos são céticos em investir em AC. Os geradores de corrente alternada eram poderosos, mas o gerador sozinho não era o maior problema. Os sistemas de controle e distribuição de energia CA precisavam ser melhorados antes que pudessem competir com a DC em um mercado. 1886 – No mercado norte-americano, inventores como William Stanley , George Westinghouse, Nikola Tesla e Elihu Thomson desenvolvem seus próprios sistemas de AC e geradores. A maioria utilizou geradores Siemens e Ferranti como base de estudo. William Stanley foi rapidamente capaz de inventar um gerador melhor depois de ficar insatisfeito com o gerador da Siemens que ele usou em sua primeira experiência.
Geradores AC da Siemens usados em Londres em 1885, nos EUA, Edison estava relutante em entrar no campo de energia de CA enquanto na Europa a tecnologia estava se desenvolvendo rapidamente.
1886 – 1891 – Geradores de AC Polifásicos são desenvolvidos por CS Bradly (EUA), August Haselwander (Alemanha), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Alemanha / Rússia), Galileo Ferraris (Itália) e outros. Os sistemas AC, que incluem melhor controle e poderosos motores elétricos, permitem que o AC dispare.
1891 – A alimentação CA trifásica prova ser o melhor sistema para geração e distribuição de energia na Exposição Eletrotécnica Internacional em Frankfurt.
O gerador trifásico projetado por Mikhail Dolivo-Dobrovsky usado na exposição é visto acima.
1892 – Charles P. Steinmetz apresenta seu artigo ao AIEE sobre histerese. O entendimento de Steinmetz da matemática da energia AC é publicado e ajuda a revolucionar o projeto do sistema de energia CA, incluindo grandes geradores de corrente alternada. 1890 – O design do gerador é melhorado rapidamente graças às vendas comerciais e ao dinheiro disponível para pesquisa. A Westinghouse, a Siemens, a Oerlikon e a General Electric desenvolvem os geradores mais poderosos do mundo. Alguns geradores ainda operam 115 anos depois. (Mechanicville, NY).
Um gerador Westinghouse 2000 kW de 270 volts depois de 1900
1894 Elihu Thomson desenvolveu muitos geradores CA para a General Electric
FONTES:
Geradores de Mechanicville com história explicada (1897), projetada pelo mestre de CA Charles P. Steinmetz
Westinghouse Generator sendo construído e testado (1905), projetado por Oliver Shallenberger, Tesla e outros na Westinghouse.
1895 Geradores antigos poderosos usados na Folsom, CA (projetados por Elihu Thompson, Dr. Louis Bell e outros da GE)
1891 Gerador produzido pela Oerlikon para a International Electrotechnical Exhibition (projetado por Dobrovolsky na Alemanha)
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