Generator

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Bilde av en moderne dampturbin med generator i Schwarze Pumpe kraftverk. Dampturbinen er den blå maskinen helt innerst, generatoren er den gule sylinderformede maskinen i midten og nærmest i det firkantede huset står den såkalte magnetiseringsutrustningen.

En generator er en maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi ved elektromagnetisk induksjon for anvendelse i en ekstern elektrisk krets. Kilden til mekanisk energi kan variere fra en pedaldrevet sykkel til en dampturbin i et kraftverk. I et moderne elektrisk kraftsystem kommer nesten all energi fra trefase vekselspennings synkrongeneratorer. Den omvendte omforming av elektrisk energi til mekanisk energi skjer i en elektrisk motor, og motorer og generatorer har svært mange likhetstrekk. Flere typer roterende elektriske maskiner kan drives både som motor og generator, uten at de har noen konstruksjonsmessige forskjeller. I akademiske sammenhenger snakker en derfor ofte heller om elektriske maskiner enn om generatorer og motorer.

Veien frem til brukbar elektrisk generator startet i 1831 med Michael Faradays oppdagelse av induksjon og hans oppfinnelse av en meget enkel generator. Det skulle ta mange år med utallige forsøk og oppfinnelser før en brukbar elektrisk generator blir utviklet. Motivasjonen for dette var de store kostnadene og praktiske vansker med å forsyne elektriske motorer med [[Elektrisk strøm |strøm]] fra batterier. Friedrich von Hefner-Alteneck som var sjefingeniør i Siemens konstruere i 1885 en likestrømsgenerator med de konstruksjonsmessige finesser som kjennetegner en moderne generator. Hans generator var en videreutvikling av ideer utviklet av andre oppfinnere, blant annet Werner von Siemens, Zénobe Théophil Gramme, Moritz Hermann von Jacobi og mange andre. Allerede før dette har har likestrømsgeneratoren blitt tatt i bruk for industri, gatebelysning og husholdninger.

Det virkelig store gjennombruddet for elektrisk energioverføring skjedde med utviklingen av vekselstrømsgeneratoren og trefase overføringsnett. En sentral person i utviklingen er Michael Dolivo-Dobrowolsky som var sjefingeniør hos AEG. Han bygger videre på oppfinnelsene til Nikola Tesla og Galileo Ferraris sine tofase generatorer, som han forbedrer betraktelig. Dolivo-Dobrowolsky finner opp asynkronmaskinen og trefasetransformatoren i 1889. Helt uavhengig finner Jonas Wenström også opp trefasesystemet som han offentliggjør noe senere. Etter dette bygges kraftforsyning ut i stadig større skala med generatorer for trefaset vekselspenning som grunnprinsipp.

Terminologi[rediger | rediger kilde]

Animasjon som viser prinsippet for en likestrømsgenerator, tidligere kalt dynamo. Spenningen i rotoren skifter retning, men kommutatoren på akslingen sørger for å snu polariteten slik at maskinen leverer likestrøm.
Animasjon som viser prinsippet for en vekselstrømsgenerator, nærmere bestemt en synkrongenerator. Spenningen i rotoren skifter retning to ganger for hver omdreining. Sleperingene på akslingen overfører vekselspenning til den ytre kretsen.

Ordet generator kommer fra latin og er partisipp av genero som betyr "avle eller far". Med en generator menes en maskin som omgjør mekanisk energi til elektrisitet ved hjelp av induksjon. Begreper dynamo brukes til en viss grad om likestrømsgeneratoren, spesielt i dagligtale.

Elektromagnetiske generatorer faller inn under en av to hovedkategorier, nemlig dynamoer og generator der forskjellen er:

  • Likestrømsgenerator eller dynamo som genererer likestrøm vanligvis med spenning- og/eller strømsvingninger der en kommutator likeretter strømmen ut til terminalene. Se animasjonen til høyre
  • Generator som generere vekselstrøm som kan opptransformeres til høy spenning med en transformator og deretter overføres over svært store avstander. Se animasjonen til høyre.

Rent mekanisk består en generator av disse hovedkomponentene:

  • Rotor som er den roterende del av en generator og som er direkte tilknyttet akselen
  • Statoren er den stasjonære del av en generator
  • Akslingen med rotor og kommutator eller sleperinger påmontert.

Ordet dynamo har i dag gått ut av bruk[1] og ordet generator brukes både for maskiner som lager veksel- og likespenning.

Elektriske hoveddeler:

  • Ankeret er den delen av en elektrisk maskin der induksjon av elektrisk energi skjer og som er tilkoblet en ekstern elektrisk krets. Det består av elektriske ledere og kalles viklinger eller spoler. Spoler kalles også utpregede poler. I en likestrømsgenerator er ankeret en del av rotoren, mens i en moderne synkrongenerator er ankeret i statoren
  • Feltet er den delen som danner det magnetiske feltet i en elektrisk maskin. Felt dannes enten ved elektromagneter eller permanentmagneter.
  • Magnetiseringsutrustningen sørger for elektrisk strøm til feltet, hvor det finnes to hovedtyper:
  • Egenmagnetisering der maskinen selv skaffer strøm for formålet
  • Fremmedmagnetisering der en egen utrusting uavhengig av generatoren sørger for strøm til feltet.

Historisk utvikling[rediger | rediger kilde]

Før sammenhengen mellom magnetisme og strøm ble oppdaget ble elektrostatiske generatorer anvendt. De fungerte ved å utnytte prinsipper for statisk elektrisitet. Slike generatorer generert svært høy spenning og lav strøm. De drives ved hjelp av å flytte elektrisk ladede belter og plater som bygger opp et stadig økende elektrisk potensiale på en elektrode. Potensialøkningen ble generert ved hjelp av en av to mekanismer: Elektrostatisk induksjon og triboelektrisk effekt. På grunn av lav effektivitet og vansker med elektrisk isolasjon ved de svært høye spenninger som oppstår og den lave ytelsen, ble de aldri brukt for elektrisitetsproduksjon av kommersielt betydelige.

Teoretisk utvikling[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Elektromagnetisme

Faradays plategenerator regnes for å være den første elektromagnetiske generator. Den hesteskoformet magnet (A) opprettet et magnetfelt gjennom platen (D). Når platen roterer induseres en elektrisk strøm radielt utover fra midten mot periferien. Strømmet går ut gjennom den glidende fjærkontakten (m), gjennom den eksterne kretsen og tilbake til midten av skiven gjennom akselen.

Funksjonsprinsippet for en elektromagnetiske generatorer ble oppdaget i 1831 av den britiske fysikeren Michael Faraday. Prinsippet som senere er kjent som Faradays lov sier at en elektromotorisk kraft blir generert i en elektrisk leder når den blir omsluttet av et varierende magnetfelt. Denne indre spenningen driver den elektriske strømmene i en tilknyttede elektrisk krets. Uavhengig av Faraday oppdager også amerikaneren Joseph Henry induksjonsloven.[2] Faradays induksjonslov uttrykkes matematisk slik:

">" :\mathcal{E} = -{{d\Phi_\mathrm{B}} \over dt} \ ">"

der:

Minustegnet betyr at den induserte spenningen er lik den negative tidsforandringen av flukstettheten og har sammenheng med Lenzs lov. Denne sier at:

">"Retningen av den induserte spenningen er slik at den vil motvirke sin årsak.">"

Faraday lager en enkel elektromagnetisk generator kjent som Faradays plategenerator eller homopolar generator i 1831. Denne består av en plate av kobber som er opplagret og kan rotere mellom en hesteskomagnet, se figuren til venstre. Det oppstår da en likespenning mellom senter og periferi av platen som kan drive en liten strøm i en ekstern krets.[3]

De første eksperimenter med generatorer[rediger | rediger kilde]

Dette aparattet regnes for å være verdens første vekselstrømsgenerator bygget av franskmannen Hippolyte Pixii i 1832. Pixii var instrumentmaker for André-Marie Ampère og Claude Pouillet på 1820-tallet.

Det er ikke stort praktisk behov for en generator på tiden Faraday oppdager loven om induksjon. Senere blir kommersielle teknologier som telegraf og lysbuelamper tatt i bruk, der batterier brukes som energikilde. Imidlertid var dette kostbare måter for å fremskaffe elektrisitet på, men først på 1860- og 1870-tallet skjedde det suksessfulle fremskritt med generatorer.[4]

Prinsippet for en kommutator og tilknytningen til ankerviklingene vist skjematisk. Alle delene unntatt kullbørstene markert S og M roterer. Diagrammet under viser spenningen som kan hentes ut. Tegningen gjelder for en oppfinnelse kalt (Grammes ring) som kom mange år etter Hippolyte Pixii første kommutator.

Det aller første roterende apparatet som drives av elektromagnetisme blir bygget av engelskmannen Peter Barlow i 1822. Dette er kjent som Barlows hjul. I juli 1832 lager den franske instrumentmakeren Hippolyte Pixii det første apparatet som genererer vekselspenning ved induksjon på grunn av rotasjon av permanentmagneter. Apparatet blir presentert offentlig i september 1832 på et møte i Det franske vitenskapsakademiet (Académie des Sciences), og allerede i juli blir oppfinnelsen omtalt i Annales de Chimie. Samme år utvikler han en komponent som snur strømmens retning for hver halve omdreining rotoren gjør. Dermed leverer apparatet ut likespenning. Komponenten som snur spenningen er kjent som kommutatoren. Imidlertid er det engelskmannen William Ritchie som er kjent som oppfinneren av kommutatoren. Ritchie hevder å ha funnet opp kommutatoren samme sommeren som Pixii.[2]

I den aller første tiden med eksperimentering med elektriske maskiner ble det skilt strengt mellom såkalte «magnetelektriske-» og «elektromagnetiske-maskiner», i betydningen henholdsvis generatorer og motorer. Den russisk-tyske fysikeren Emil Lenz gjør imidlertid i en artikkel publisert i Annalen der Physik i 1834 oppmerksom på at fenomenene «magnetelektrisitet» og «elektromagnetisme» er to sider av samme sak. Han formulerer «loven om gjensidighet mellom magnetelektrisitet og elektromagnetisme». Dette innebærer at en elektrisk motor må kunne fungere som generator, og omvendt. I løpet av noen år blir dette akseptert, og særlig etter 1838 da det blir rapportert om flere tilfeller der det eksperimentelt blir vist at fenomenet kan gå motsatte veier. Lenz rapporterer selv i 1838 i Annalen der Physik at han har lyktes med å få en Pixii-generator til å virke som motor.[2]

Elektrisk motor som motivasjon for å lage en generator[rediger | rediger kilde]

Fra midten av 1800-tallet blir det gjort svært mange forsøk med å forbedre elektriske motorer og generatorer. Det blir gjort forsøke med både roterende maskiner, og innretninger der en stang blir satt til å beveges frem og tilbake omtrent som stemplet i en dampmaskin. Den tyske ingeniøren og fysikeren Moritz Hermann von Jacobi holdes for å være den første til å lage en praktisk anvendbar elektrisk motor. Han rapporterer til Annalen der Physik i mai 1834 at han har konstruert en elektrisk motor som kan løfte en vekt på 10-12 pund opp med en fart av én fot i sekundet. Dette tilsvarer en effekt på 15 W.[2]

I desember 1933 blir den amerikanske smeden Thomas Davenport kjent som den første som lager en elektrisk motor i USA. Hans maskin kan yte 4,5 W, og heller ikke andre oppfinnere på denne tiden greier ikke å lage en maskin med en ytelse som gjør den praktisk anvendbar. Det store spranget forover kommer i 1838, da Jacobi lykkes med å lage en motor som utvikler hele 300 W. For å demonstrere dens praktiske anvendelse setter han motoren i en båt og transporterer 14 personer over elven Neva[5] i St. Petersburg. Denne båtturen finner sted den 13. september 1838, båten kjører 7,5 km og holder en fart på 2,5 km/h. I båten er det sink-batterier som tilsammen veier 200 kg. I årene fra 1837 til 1866 blir det tatt ut hele 100 patenter på elektriske motorer bare i England. I hele verden blir det tatt ut tusenvis av patenter. Det skal vise seg å ta lang tid før noen overgår Jacobi når det gjelder ytelsen for en elektrisk maskin.[2]

Stadige forbedringer av elektriske motorer gjøres, men det er et fundamentalt problem med disse, nemlig den store vekten og kostnadene for batteriene. Dette blir også motivasjonen for å lage en funksjonell generator som kan forsyne motorer med elektrisitet. I 1850 skriver R. Hunt i British Philosophical Magazine at en elektrisk motor selv under de beste forhold er 25 ganger mer kostbar enn en dampmaskin for å gjøre det samme arbeidet. I 1841 utlover Det tyske forbund en pris på 100 000 Gulden for den som kan konstruere en elektrisk motor som kan gi billigere energi enn en hest, en dampmaskin eller et menneske. Det viser seg umulig å få til noe slikt uten at en vellykket generator blir konstruert.[2]

Likestrøms generatorer[rediger | rediger kilde]

Siemens dynamo[rediger | rediger kilde]

Liten generator av typen som Werner von Siemens utviklet, den såkalte dobbelt-T-maskinen.

I 1856 lykkes det for den tyske ingeniøren og industrimannen Werner von Siemens å utvikle en generator som gir en viss effekt. Denne er basert på permanentmagneter og ble kalt dobbelt-T-maskinen. Maskinen blir også kalt sylinder-induktoren på grunn av rotorens (ankeret) sylinderform. De første utgavene av denne ble anvendt innenfor telegrafi og ble sveivet rundt for hånd.[6] Maskinen hadde en stator med permanentmagneter i form av stålplater som står montert parallelt og har motsatt polaritet på hver side. I den ene enden er det en en sirkelrund spalte der rotoren er plassert mellom, se bilde til høyre.[7] Siemens gjør en annen viktig konstruksjonsforbedring, nemlig å la viklingen i rotoren ligge i spor som er utspart i rotoren. Etter dette blir nesten alle nye konstruksjoner laget med vindinger i spor.[6]

I slutten av 1866 offentliggjør Siemens sin oppfinnelse av ny type generator som ikke har permanentmagneter for å danne felten, men elektromagneter. Altså spoler eller viklinger med mange omdreininger som danner et kraftig magnetfelt. Strømmen til å drive elektromagnetene skaffer maskinen selv. Prinsippet går ut på å starte generatoren med strøm fra et galvanisk-batteri, som bygger opp feltet. Etterhvert som ankeret bygger opp en stadig sterkere strøm, blir også feltet sterkere, dermed kan batteriet fjernes. Feltet øker i styrke inntil jernet går i metning, altså ikke kan føre et større magnetfelt. Siemens kalte sin generator for en dynamo-elektrisk maskin for å understreke at den skaffer sin egen magnetisering uten permanentmagneter. Med denne oppfinnelsen fås sterke magnetfelt, dessuten unngås problemet med at permanentmagnetene mister sin magnetisme etter en tid.[8] Denne maskinen regnes for å være den første vellykkede likestrømsgenerator.[6] Det skulle imidlertid viste seg at den engelske oppfinneren Charles Wheatstone har gjort den samme oppfinnelsen uavhengig av Siemens i februar 1867.[8]

Grammes ankerring[rediger | rediger kilde]

Grammes ringanker med viklingene (B) som har forbindelse ut til kommutatoren via kobberlederne (R).
Stillisert tegning som forklarer prinsippet for Grammes ringanker i bildet over.

En stor ulempe med Siemens generator er at den produserer en pulserende spenning. I 1871 kommer den belgiske ingeniøren Zénobe Théophil Gramme med en dynamoen uten denne pulseringen.[6] Grammes dynamo har en rotor som blir kalt Grammes ankerring med viklinger som er sammenkoblet slik som bildet til høyre øverst viser. Rett nedenfor til høyre er prinsippet vist som en torus (ring) med vinklinger rundt. Fra hver viklingspole er det forbindelse til segmenter på kommutatoren. Det induseres like mye spenning i den øverst halvdel av ringen som i den nederste, og børstene henter ut strømmen ved -B og +B. Hadde det ikke vært for at børstene er plassert her ville den induserte strømmen blitt null. Dynamoen til Gramme gikk med en hastighet på 800-1000 rpm og ga en helt konstant strøm.[9]

Endelig en funksjonabel likestrømsgenerator[rediger | rediger kilde]

Siemens & Halskes dynamo fra 1883 med trommelrotor med viklinger i pereferien.

Friedrich von Hefner-Alteneck som var sjefingeniør for Siemens finner i 1872 opp en rotor til dynamoen med sylindrisk form. Denne har i tillegg viklinger som er lagt i en rekke spor i rotorens periferi og parallelt med akselen. Dette er en forbedring av Grammes oppfinnelse, fordi denne ikke har en stor del av viklingene på innersiden der det uansett ikke blir indusert noe spenning.[9]

Franskmannen Auguste Pellerin foreslår at stålkonstruksjonene i en elektrisk maskin bør være av laminerte stålplater istedenfor massivt stål. Han foreslår også at de bør være elektrisk isolert fra hverandre. Hensikten med dette er å unngå virvelstrømmer. Med disse siste oppfinnelsene greide en endelig å få gode dynamoer og tilhørende motorer.[6]

Dynamoens videre anvendelse[rediger | rediger kilde]

Selv om også generatorer som produserte vekselspenning kom i bruk fra rundt 1870, hadde likespenning størst utbredelse. Vekselspenning var et godt alternativ for lysbualamper som ble mer og mer vanlig for gatebelysning, men på denne tiden var det ikke oppfunnet noen motorer som fungerte tilfredsstillende for vekselspenning. En av de aller tidligste kraftstasjoner var Pearl Street station i New York som Thomas Edison stod bak og ble satt i drift i 1882. Denne hadde kun dynamoer for likespenning. Ulempen med likespenning var at særlig høye spenningsnivåer ikke var mulig og da kunne heller ikke avstanden fra dynamo til forbrukeren være stor. Mange oppfinnere skjønte at vekselspenning ikke ville ha slike begrensninger, men utfordringen var å utvikle en praktisk anvendbar motor for vekselspenning.[4]

Inntil bruk av vekselspenning ble demonstrert som en god teknisk løsning i 1891 var dynamoer som leverte likespenning enerådende.[6] I 1901 var det 18 av totalt 22 kraftverk i Norge som produserte likespening.[10] Dynamoer i kraftsystemer for likespenning er i dag uvanlig, men likestrømsmaskiner har allikevel vært mye brukt i forbindelse med motordrifter helt opp til i dag. Spesielt i forbindelse med regulering av turtallet har kraftsystemer for likespenning vært svært utbredt. Med introduksjon av kraftelektronikk ble likestrøm etter hver også uvanlig for motorer.[11]

Vekselstrøms generator[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Synkronmaskin

Gjennom en rekke oppdagelser ble dynamoen fulgt av mange forbedrede oppfinnelser, særlig vekselstrøms generatoren, som altså genererer vekselstrøm. Vekselstrømsystemer var kjent i enkle former helt fra Michael Faradays opprinnelige oppdagelsen av magnetisk induksjon av elektrisk spenning.

Eksperimenter med vekselspenning med to og tre faser[rediger | rediger kilde]

Animasjon som viser generering av trefaset vekselspenning på en svært enkel måte. Terminalene L1, L2 og L3 er tilknyttingspunktene for den eksterne kretsen.

Den italienske professoren Galileo Ferraris lykkes i å bygge en liten tofaset asynkronmotor i 1885. Imidlertid tror Ferraris at en slik maskin aldri kan oppnå en større virkningsgrad en 50 %, dette skal vister seg å være helt feil, men han mister interessen for videreutvikling av sitt prinsipp. Den kroatisk-amerikanske ingeniøren og oppfinneren Nikola Tesla driver på samme tid forsøk med en tofase motor, overføringslinje og generator. Hans konsept gjør bruk av fire ledere for overføring mellom generator og motor. Oppfinneren og industrimannen George Westinghouse blir oppmerksom på Teslas store fremskritt innenfor forskning med elektrisitet og kjøper alle hans 40 patenter for 1 million USD. Tesla blir konsulent for Westinghouse sitt selskap og gjør videre forsøk med sitt konsept. Han har stor tro på tofase og enfasede vekselspenningsmotorer, men mislykkes i å få noen motor til å fungere særlig godt. I 1889 forlater han Westinghouse skuffet over at ingen av hans forsøk har lyktes.[6] På slutten av

Den som er først ut med en trefase vekselstrømsmotor er den tyske ingeniøren Friedrich August Haselwander. Han finner opp en trefaset synkronmaskin med utpregede poler i juli 1887, men det tyske postvesenet forbyr bruken av maskinen på grunn av frykt for forstyrrelser på telegraflinjene. Haselwander mislykkes også med å få godkjent patenten. Amerikaneren Charles Schenk Bradley har på samme tid også eksperimentert med flerfasegeneratorer og vekselstrømsystemer for to og tre faser. Han får patent på flere oppfinnelser blant annet en asynkronmaskin, men han går ikke videre med praktiske forsøk for anvendelser.[6] I USA får likestrømsystemer stadig større utbredelse, mens det er i Europa at videre forskning på vekselstrømsystemer skjer.[1]

Trefasesystemet[rediger | rediger kilde]

Sitat Tesla var den første til å jobbe intensivt med problemet med elektrisk kraftoverføring via et flerfaset vekselstrømsystem, han er den første til å finne grunnlaget for en slik overføring, og var den første til å presentere prinsippene for en flerfaset induksjonsmotor.

Bradley legger bort den første patent på en to-fase strømoverføringssystem med synkronmaskiner og fire elektriske ledninger. Han fikk også den første patentet for en tre-fase induksjonsmotor med en helt kortsluttet rotor (kortslutningsrotor).

Haselwander var den første til å konstruere et trefase overføringssystem med synkronmaskiner og tre faseledere. Han bygde det første anlegget av denne typen, og er den første til å ta det i praktisk bruk.

Dolivo-Dobrowolsky bygde den første enkel, praktisk nyttige trefase induksjonsmotoren med kortslutningsrotor. I brede vitenskapelige foredrag og essays, forklarte han naturen og kjennetegnene ved dagens trefase system og trefase motorer...og to år etter bygger han sin første 1/10 hk induksjonsmotor, så setter han en 100 hk trefase motor i normal drift...Dolivo-Dobrowolsky må derfor ses på som selve pioner for innføringen dagens trefase system.

Wenström er en som tydelig erkjenner problemet, skaper teknisk solide og godt gjennomtenkte løsninger for hele programmet, men hans løsninger vises frem ett til to år for sent i konkurransen.
Sitat
Franz Hillebrand på vegne av VDE vitenskapskomité i 1959[6]

I 1889 begynner AEGs sjefingeniør, sveitsisk-russeren Michael Dolivo-Dobrowolsky, med forsøk der han kombinerer Teslas og Ferraris oppfinnelser som han forbedrer betraktelig. Han finner opp en trefaset asynkronmotor i begynnelsen av 1889, og gjør store fremskritt med denne. Asynkronmaskinen er fremdels i svært utstrakt bruk, mest som motor, og i en viss utstrekning som generator i små kraftstasjoner. Dolivo-Dobrowolsky er også den første til å finne ut at vinklingene i en motor eller generator kan kobles i stjerne eller trekant. Han finne videre ut at et trefasesystem ikke behovet mer enn tre ledere for overføring av elektrisk energi. I august 1889 tar han ut patent på en transformator med tre bein. Samtidig som Dolivo-Dobrowolsky gjør store fremskritt med sitt trefasesystem, kommer den svenske ingeniøren Jonas Wenström i april 1889 opp med et patent på et trefasesystem. Wenström bygger i 1893 en 13 km lang trefase kraftlinje i Sverige. Sannsynligvis viste Wenström ikke noe om at trefasesystemer blir utforsket andre steder i verden.[6]

Den internasjonele elektrotekniske utstilling i Frankfurt am Main[rediger | rediger kilde]

Generatoren i krafstasjonen ved Lauffen am Neckar som leverte vekselstrøm til den internasjonale elektrotekniske utstilling i Frankfurt am Main.

Dolivo-Dobrowolsky samarbeider med Maschinenfabrik Oerlikon og AEG om å bygge en trefase kraftlinje fra et kraftverk i Laufen til Frankfurt am Main i Tyskland i 1891. Denne kraftlinjen er 175 km lang og med en spenning på 25 kV. Den har en overføringskapasitet på 220 kW[6]

Kraftlinjen ble i første omgang brukt til å demonstrere trefasesystemets fordeler på den internasjonale elektrotekniske utstilling i Frankfurt am Main (International Electro-Technical Exhibition). Energien fra kraftstasjonen ble brukt til å drive en pumpe som skaffet vann til et kunstig fossefall på utstillingen. Med denne demonstrasjonen skjønte alle tilstedeværende ingeniører og industriherrer at vekselstrøm hadde store fordeler, spesielt når det gjelder å overføre elektrisitet over svært lange avstander. Etter dette starter både Siemens, General Electric og Westinghouse et intensivt arbeid for å bygge best mulige generatorer og andre maskiner for vekselstrøm.[12] Tesla kommer tilbake til selskapet til Westinghous og sammen bygger de den den første kraftlinjen i USA for trefaset vekselspenning fra Niagara Falls til Buffalo i delstaten New York. Denne kraftlinjen stod forøvrig ferdig i slutten av 1896.[6]

Konstruksjon og virkemåte for moderne generatorer[rediger | rediger kilde]

Likestrømsgeneratorer[rediger | rediger kilde]

En dynamo bestående av: Hjul for reimdrift (A), feltpoler i stator (B), rotorviklinger (C), kullbørster (D) og kommutator (E).
Nærbilde av en liten masse-
produsert rotor der kommutatoren er trommelen foran til venstre. Denne har kobberlameller som er elektrisk isolert fra hverandre. Hver lamell har forbindelse til rotorens viklinger slik som Gramme var den første til å konstruere. Børster av kull ligger inn mot kommutatoren og danner forbindelsen til den eksterne elektriske kretsen.

Som delvis forklart ovenfor består en likestrømsgenerator av en stator, rotor med aksling, vinklinger og kommutator. Statoren er sirkelformet og i dens indre omkrets er polene plassert. Disse danner magnetfeltet mellom seg, med enten bare et par med nord og sørpol som står ovenfor hverandre, eller flere par. Med flere par står disse vekselvis med forskjellig polaritet rundt omfanget av statoren. Statorens poler magnetiseres av elektriske viklinger i form av spoler (solenoider) med mange vindinger som fører likestrøm. En kaller disse også for utpregede poler. Rotoren er plassert inne statorens senter og har viklinger rundt omfanget. Rotorens viklinger ligger i spor i overflaten av dens omfang og er tilknyttet kommutatoren. Bilde til høyre viser en liten rotor for en likestrømsmaskin. Her ser en tydelig at kommutatoren er sammensatt av lameller som hver har kontakt med viklingene. Lamellene er elektrisk isolert fra hverandre. Børstene har kontakt med lamellene og bringer strømmen ut til den eksterne kretsen. Det dannes vekselspenning i rotorviklingene og kommutatorens oppgave er å virke som en mekanisk likeretter. Viklingene i rotor kalles også ankerviklinger. Både statoren og rotorens er konstruert av laminerte blikkplater av blød stål.[13]

Vinklingene i statoren får sin strøm fra ankeret, og kan i prinsippet være koblet i serie eller parallell med ankeret. Det siste kalles shuntvikling og er mest brukt. Grunnen til at koblingen brukes mest er at spenningen som mates ut til forbrukerne (den eksterne kretsen) blir konstant og i mindre grad avhengig at belastningen. Ved hjelp av en motstand, også kalt reostat, justeres strømstyrken gjennom feltet og dermed spenningen.[14] Ved å holde hastigheten til generatoren konstant med en regulator tilknyttet turbinen som driver den og justere reostaten kan spenningen holdes mer eller mindre konstant selv om belastningen varierer.

Ved oppstart av en likestrømsgenerator er en avhengig av at det er en viss magnetisme gjenværende fra sist den var i bruk. Når generatoren først begynner å rotere vil den gjenværende remanens som er i jernkjernen i feltpolene gi et magnetisk felt som generere en liten strøm i ankeret. Denne strømmen som rotasjonen skaper går gjennom feltviklingene og skaper et ytterligere sterkere magnetisk felt som igjen genererer en større ankerstrøm. Denne prosessen med stadig øking av magnetfelt og indusert strøm fortsetter inntil den magnetiske flukstettheten i kjernen oppnår så høye nivåer at magnetisk metning oppstår.

Anvendelse av likestrømsgeneratoren i dag[rediger | rediger kilde]

Generatorene i Vamma kraftstasjon er synkronmaskiner, men på akslingen til til hver av disse er det tilknyttet en likestrømsgenerator. Denne kalles også magnetiseringsmaskin og skaffer likespenning til rotoren (polhjulet). Magnetiseringsmaskinen kan sees helt til høyre på det nærmeste aggregatet.

Likestrømsgeneratoren ble raskt utkonkurrert av vekselstrømsgeneratoren på grunn av vanskene med å overføre likestrøm med over store avstander. Likestrømsgeneratoren har allikevel hatt stor utbredelse som såkalt magnetiseringsmaskin for vekselstrøms synkrongeneratorer. Det må nemlig en likespenningskilde til for å drive en synkrongenerator, mer om dette følger i avsnittet nedenfor.

Et annet sted der likestrømsgeneratoren har hatt sin utbredelse er i forbindelse med elektrisk jernbanedrift der det brukes likespenning. Dette er tilfelle i for eksempel Polen og Italia. Typisk produseres likestrømmen ved omforming av vekselspenning fra det offentlige overføringsnettet. En trefase vekselstrømsmotor driver likestrømsgeneratorer som mater ut til jernbanens kontaktledningsnettet. Til dette formålet har også kvikksølvlikerettere vært benyttet, og i dag er halvlederteknologi vanlig.

En annen type omformer er trinnløs omforming av vekselspenning til spenning med en annen frekvens. Dette kan skje ved at en trefaset motor driver en likestrømsgenerator på samme aksling. Likestrømsgeneratoren gir strøm til en likestrømsmotoren der turtallet enkelt kan justeres. Likestrømsmotorene har felles aksling med en vekselstrømsgenerator som forsyner et distribusjonsnett der variabel frekvens er ønskelig. Dette kalles en ac-dc-dc-ac-omformer, og selv om en slik installasjon enkelt kan omforme vekselspenning er den stor, kostbar og vedlikeholdsintensiv. I tillegg kommer store energitap.

Dette er noen eksempler på bruk av likestrømsgeneratorer som har hatt stor utbredelse, men som i stor grad har blitt erstattet av halvlederteknologi. Også når det gjelder magnetiseringsmaskinener for synkrongeneratorer har likestrømsgeneratorene blitt erstattet med halvlederteknologi. Noen av grunnen til at en ikke bruker denne typen maskiner er at spesielt kommutatoren krever mye vedlikehold. Dessuten vil kullbørstene i forbindelse med kommutatoren forårsake kullstøv som er elektrisk ledende, og kan gi kortslutninger i maskinen.

Synkrongeneratoren[rediger | rediger kilde]

Polhjulet til en synkrongenerator med utpregede poler. Hastigheten til denne må være 1800 rpm om frekvensen til spenningen skal være 60 Hz, og 1500 rpm for 50 Hz. Legg merke til rotoren til magnetiseringsmaskinen på enden av rotoren.
Vikling av en stator til en stor turbogenerator i AEG-Turbinenfabrik i Berlin i 1955.

Synkrongeneratorens navn henspeiler på at frekvensen til spenningen som blir generert er proporsjonal med turtallet til rotoren. Rotoren kalles også polhjulet og har elektriske viklinger som gir magnetisk felt. Rotoren forsynes via sleperinger fra en ytre likespenningskilde. Dette kan være en likestrømsgenerator montert på generatorens aksling (egenmagnetisering), eller en separat likeretter (fremmedmagnetisering) basert på halvlederteknologi. Rotoren har enten utpregede poler eller sylindrisk rotor om hastigheten er svært stor. Det siste kalles en turbogenerator og er som navnet sier vanlig når generatoren drives av en turbin. Rotoren setter opp et roterende magnetfelt og dette induserer spenning i statorens viklinger. Vinklingene i stator er montert i spor i dens indre omfang og er tilknyttet den ytre elektriske kretsen, se bilde til høyre. Statorens viklinger kalles også ankerviklinger. Sammenhengen mellom antall poler på polhjulet, geometrisk plassering av ankerviklingene, samt rotasjonshastighet bestemmer spenningens frekvens, faseforskyvningen mellom spenningene og spenningens amplitude.[15]

Synkronmaskinen er i dag så å si enerådende som generator. I moderne kraftsystemer er hundrevis eller tusenvis av generatorer koblet samme i parallell. Dermed blir både spenningen og frekvensen for en enkelt generators terminaler hovedsakelig bestemt av de andre maskinene i kraftsystemet. Overføringsnettet sørger for at synkronmaskiner som geografisk er avskilt med mange hundre kilometer går med samme frekvens. Alle større generatorer må allikevel ha turtallsregulering og spenningsregulator for at kraftsystemets frekvens og spenning skal være noenlunde konstant. Selv om en enkelt generator utgjør bare en svært liten del av systemets ytelse, må alle enhetene bidra med å holde frekvens og turtall konstant.[15]

Spesielle typer generatorer[rediger | rediger kilde]

Likestrøms generatorer[rediger | rediger kilde]

Unipolar generator[rediger | rediger kilde]

En unipolar generator er en elektrisk generator som omfatter en elektrisk ledende plate eller sylinder som roterer i et plan vinkelrett på et homogent statisk magnetfelt. En potensialforskjell opprettes mellom sentrum av platen og periferien (eller endene av sylinderen). Den elektrisk polariteten er avhengig av rotasjonsretningen og retningen av feltet.

Det er også kjent som en unipolar generator, asyklisk generator, plate dynamo, eller Faradays plate. Denne typen generator er forklart lenger opp, og selv om de tidligere modellene var lite egnet til produksjon av store energimengder, er dagens modeller en vellykket videreutvikling. Spenningen er typisk lav, i størrelsesorden noen få volt for små demonstrasjonsmodeller, men store generatorer for forskning kan gi flere hundre Volt. Det er utviklet systemer der flere generatorer seriekobles for å produsere enda større spenning.[16] De er uvanlige ved at de kan produsere en svært stor elektrisk strøm, i noen tilfeller mer enn en million Amper. Dette på grunn av at unipolar generator kan være laget med en meget lav indre motstand.

MHD-generator[rediger | rediger kilde]

Prinsippskisse av en MHD-generator.

Et magnetogenerator fungerer ved å utvikle elektrisk energi fra bevegelsen av varme gasser gjennom et magnetisk felt. Dette skjer uten bruk av roterende deler. MHD-generatorer ble opprinnelig utviklet fordi eksosgassen fra en plasma MHD-generator i neste trinn kan brukes til å varme opp kjelene i et dampkraftverk. Hensikten med MHD-generator var å oppnå større virkningsgrad for dempkraftverk.

Den første praktisk anvendelige konstruksjonen var Avco Mk. 25, utviklet i 1965. Den amerikanske regjeringen bidrog med en betydelig del av finansieringen for utviklingen, som resulterte i et 25 MW demonstrasjonsanlegg i 1987. I Sovjetunionen var det fra 1972 til slutten av 1980-årene et MHD-anlegget kalt U 25 som var i kommersiell drift for Moskvas kraftsystem. Denne hadde en ytelse på 25 MW, og var det største MHD-anlegget i verden på den tiden.[17] MHD-generatorer som en del av et dampkraftverk er for tiden (2007) mindre effektiv enn gassturbiner.

Vekselstrøms generatorer[rediger | rediger kilde]

Asynkronmaskin[rediger | rediger kilde]

Utdypende artikkel: Asynkronmaskin

En asynkronmaskin kan anvendes både som generator og motor, selv om denne typen elektrisk maskin brukes mest i motordrifter. Når en asynkronmaskin drives som generatorer må rotoren rotere raskere enn synkron hastighet, noe som gir negativ slip. En vanlig asynkronmotor kan vanligvis brukes som en generator, uten noen modifikasjoner. Typisk anvendelsen er små vannkraftverk og vindmøller. Vanligvis er slike små generatorer tilknyttet et større kraftsystem slik at frekvens og spenning holder vannturbinen eller vindmøllens hastighet tilnærmet konstant. En sier at generatoren er tilknyttet et uendelig stivt (sterkt) nett, dermed er spenningsregulator og turtallsregulator unødvendig.

Et forskningsprosjekt i 1990-årene var en vindmølle på Titran på øya Frøya utenfor Trøndelagskysten der en vindmølle forsynte noen husstander uten tilknytning til overliggende overføringsnett. Her var var kraftelektroniske omformere og en såkalt dumpload (en stor resistans som reguleres) som sørget for konstant frekvens og spenning. For dager med lite vind var det også tilknyttet en dieseldrevet generator.[18]

Enfasegenerator[rediger | rediger kilde]

Enfasegeneratorer ble tidlig tatt i bruk for elektrifisering av jernbanen med lavfrekvent vekselspenning. I dag har Sveits, Østerike, Tyskland, Sverige og Norge elektrisk banestrømforsyning med 15 kV 16,7 Hz spenning. I Sveits, Østerrike og Tyskland er forsyning fra enfase generatorer i egne kraftverk vanlig, mens i Sverige og Norge skjer forsyningen via synkron-synkron omformere. Altså at en trefasemotor mates fra det offentlige overføringsnettet og driver en enfaset vekselstrømsgenerator som i sin tur forsyner kontaktledningsanlegget. Denne er montert på samme aksling som den trefasede generatoren.[19] I Norge er det installert enfasegeneratorer for jernbanen i Hakavik kraftverk og i Kjosfoss kraftverk.

Lineær elektrisk generator[rediger | rediger kilde]

Den enkleste form for av en lineær elektrisk generator er en magnet som beveger seg frem og tilbake gjennom en spole av kobbertråd. En vekselstrøm blir indusert i viklingen hver gang magneten glir gjennom. Denne type generator benyttes i hånddreven lommelykter. Større lineærgeneratorer blir brukt i noen konstruksjoner for bølgekraftverk.

Generatorer for variabel hastighet og konstant frekvens[rediger | rediger kilde]

Prinsippskisse som viser en dobbelmatet asynkrongenerator for en vindmølle. Allerede Dolivo-Dobrowolsky[6] utviklet en asynkronmaskin med viklet rotor med sleperinger. Ved å mate rotoren med vekselspenning fra en frekvensomformer kan rotorens hastighet kontrolleres. Allikevel kan frekvensen for spenningen levert til kraftnettet holdes synkron.

Mange applikasjoner for fornybar energi blir drevet av vind, tidevann og bølger til å produsere elektrisitet. Disse kildene er gir en effekt som i sin natur er sterkt varierende. Dette gjør at en vanlig generator vil produsere uregulert spenning og frekvens, noe som kan bli et problem for systemstabiliteten om effektene er store, for eksempel fra en vindmøllepark.[20]

Det har derfor blitt utviklet nye generatorkonsepter der en asynkronmaskin er dobbelmatet, det vil si at også dens rotor har viklinger som via sleperinger kan tilknyttes et eksternt nett. Ved å tilknytte rotoren til en frekvensomformer som henter effekt fra overføringsnettet kan rotorens magnetfelt kontrolleres. Dermed kan rotorens hastighet variere, mens asynkrongeneratorens terminaler som er direkte koblet til overføringsnett gir ut synkron spenning. Det vil si at asynkrongeneratoren leverer strøm og spenning med frekvens som er konstant og lik overføringsnettets frekvens.

Noen andre vanlige bruksmåter for generatorer utenom kraftverk[rediger | rediger kilde]

Hastighets måling[rediger | rediger kilde]

En tachogenerator en liten generator som brukes til å måle hastigheten på roterende maskiner. Den frembringer en utgangspenning som er proporsjonal med hastigheten, men typer som gir elektriske pulser der antall pulser per tidsenhet er proporsjonalt med hastigheten, er også et brukt prinsipp.

Biler[rediger | rediger kilde]

Motorkjøretøy krever elektrisk energi for å holde selve motoren i drift (elektrisk tenning), for å dra rundt startmotoren, til lysene og for instrumentene. Til dette brukes en liten generator drevet av motoren til å lade bilens batteri. Tidligere brukte kjøretøyer dynamoer (altså likestrømsgeneratoren med elektromekaniske regulatorer). Det vanligste nå er generatorer med innebygde likerettere.

Sykler[rediger | rediger kilde]

Sykler krever energi til å drive kjørelys og eventuelt annet utstyr. Det er to vanlige typer generator i bruk på sykler: Dynamoer som drives rundt av sykkelens dekk, eller navdynamoer som er direkte knyttet til sykkelens drivverk.

Mobile aggregater[rediger | rediger kilde]

The Caterpillar 3512C Genset er et eksempel på et motorgenerator aggregat. Denne enheten produserer 1225 kW.

Et strømaggregat eller mobilt aggregat er en sammenstilling av en elektrisk generator og en forbrenningsmotor. Enheten har gjerne innebygd drivstofftank og er dermed en autonom enhet. Typen motorer som brukes er vanligvis stempelmotorer, eller en gassturbin. Det er også utviklet hybride diesel-gassenheter. Mange forskjellige versjoner av motorgeneratorer er tilgjengelige, alt fra svært små bærbare bensin drevne sett, til store turbininstallasjoner. Den primære fordelen med strømaggregater er autonom elektrisitetsproduksjon uten tilknytning til et distribusjonsnett. Typisk anvendes strømaggregater som reservestrømløsninger til sykehus eller som strømforsyning på hytter.

Menneskedrevne elektriske generatorer[rediger | rediger kilde]

Menneskelige drevet generator er kommersielt tilgjengelig. Vanligvis opereres disse ved hjelp av pedalkraft og ser ut som en treningsykkel.

En gjennomsnittlig voksen person kan generere ca. 125-200 Watt med en pedaldrevet generator.[21] Bærbare radiomottakere med en sveiv finnes i handel der hensikten er å redusere batteribehovet. På midten av 1900-tallet ble pedaldrevne radioer bruket i Australias ødemark, for å gi skolegang til barna der (kalt School of the Air), samt for å gi legebehandling og dekke andre behov.

Se også[rediger | rediger kilde]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ a b . Edison Tech Center http://www.edisontechcenter.org/generators.html. Besøkt 16. januar 2015. 
  2. ^ a b c d e f Martin Doppelbauer. «The invention of the electric motor 1800-1854 – A short history of electric motors - Part 1». Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Besøkt 11. januar 2015. 
  3. ^ Julian Rubin. «Michael Faraday – The Invention of the Electric Motor and Electric Generator – Build a Homopolar Electric Motor (Barlow's Wheel) and a Homopolar Generator (Faraday Disk)». Besøkt 18. januar 2015. 
  4. ^ a b «Generators». IEEE Global History Network. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Besøkt 11. januar 2015. 
  5. ^ Georg Lütken: Anvendelser af Elektriciteten i den nyere Tid side 219.
  6. ^ a b c d e f g h i j k l m Martin Doppelbauer. «The invention of the electric motor 1800-1854 – A short history of electric motors - Part 2». Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Besøkt 11. januar 2015. 
  7. ^ Georg Lütken: Anvendelser af Elektriciteten i den nyere Tid side 219.
  8. ^ a b Georg Lütken: Anvendelser af Elektriciteten i den nyere Tid side 222.
  9. ^ a b Georg Lütken: Anvendelser af Elektriciteten i den nyere Tid side 225.
  10. ^ [1] www.ssb.no Elektrisitetsverk i byer etablert før 1901
  11. ^ A. E. Fitzgerald: Electric machinery side 435.
  12. ^ «Laufen to Frankfurt 1891». Edison Tech Center. Besøkt 14. januar 2015. 
  13. ^ A. E. Fitzgerald: Electric machinery side 390-391.
  14. ^ A. E. Fitzgerald: Electric machinery side 396.
  15. ^ a b A. E. Fitzgerald: Electric machinery side 216-217.
  16. ^ Losty, H.H.W & Lewis, D.L. (1973) Homopolar Machines. Philosophical Transactions for the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 275 (1248), p 69-75
  17. ^ Langdon Crane, Magnetohydrodynamic (MHD) Power Generator: More Energy from Less Fuel, Issue Brief Number IB74057, Library of Congress Congressional Research Service, 1981, retrieved from Digital.library.unt.edu 18 July 2008
  18. ^ Kjetil Uhlen (1994). Modelling and robust control of autonomus hybrid power system (Doktor ingeniøravhandling utg.). Trondheim: NTH. Institutt for teknisk kybernetikk. 
  19. ^ Rune Lundberg (1959). Lärbok i elektroteknik för Statens Jernvägars personal – Del IV Omformarstasjoner (svensk). Stockholm: Kungl. Järnvägsstyrelsen. 
  20. ^ «Funksjonskrav i kraftsystemet 2012». Statnett SF. Besøkt 24. november 2014. 
  21. ^ . Ohio.edu http://www.ohio.edu/mechanical/programming/hpv/hpv.html. Besøkt 18. januar 2015. 

Litteratur[rediger | rediger kilde]

  • Georg Lütken, red. (1883). «Anvendelser af Elektriciteten i den nyere Tid». Den nyeeste tids oppfindelser – En oversikt over de seneste Aars Fremskridt paa Videnskabens, Kunstens, Industriens og Handelens Omraader. Kjøbenhavn: Forlagsbureauet i Kjøbenhavn. 
  • A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr. Og Stephen D. Umans (1992). Electric machinery (Fifth Edition in SI units utg.). McGraw-Hill Book Co. ISBN 0-07-707708-3. 

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]

Commons-logo.svg
Wikimedia Commons har multimedieinnhold relatert til