Over AC-generatoren

Zonder de uitvinding van de AC-generator en de ontwikkeling ervan in de afgelopen eeuw of zo, zou de wereld inderdaad een zeer donkere plaats zijn. Generatoren die wisselstroom produceren, voeden onze lampen, onze verwarmings- en koelsystemen, onze apparaten en onze computers. Oorspronkelijk per ongeluk uitgevonden, werden AC-generatoren ooit als waardeloos en onbruikbaar beschouwd en werden vervolgens jarenlang belasterd voordat ze uiteindelijk de onmisbare machines werden die ze nu zijn.

Een AC-generator past de wet van Faraday van elektromagnetische inductie toe om een wisselstroom te creëren door draadspoelen in een magnetisch veld te draaien. Mechanische energie draait de spoelen, meestal van een motor aangedreven door wind, water, diesel of andere energiebronnen.

Wisselstroom in vergelijking met gelijkstroom

Wisselstroom, of AC, is het soort elektriciteit dat beschikbaar is bij de stopcontacten in je muren, terwijl gelijkstroom, of DC, wordt gemaakt door batterijen. Statische elektriciteit is ook gelijkstroom, geproduceerd door zijde en glas tegen elkaar te wrijven of door een plastic kam door je haar te halen.

Gelijkstroom behoudt in de loop van de tijd dezelfde polariteit en gaat altijd in dezelfde richting, daarom veranderen de positieve en negatieve polen op een batterij nooit. De polariteit of richting van wisselstroom verandert meerdere keren per seconde, dus de stroom van elektriciteit verandert ook meerdere keren per seconde. In de Verenigde Staten wisselt de wisselstroom in uw huis 60 keer per seconde af.

Hoewel veel dingen in onze huizen en kantoren wisselstroom nodig hebben, gebruiken veel van de apparaten die we van stroom voorzien via een stopcontact, eigenlijk gelijkstroom. Dit omvat de meeste elektronica, inclusief computers. Een gelijkrichter aangesloten op het netsnoer doet de conversie.

Hoe generatoren werken

Simpel gezegd, als je een draait magnetisch veld rond draadspoelen of draai draadspoelen in een magnetisch veld, je hebt een AC-generator gemaakt. De fysica hierachter wordt beschreven door de wet van Faraday van elektromagnetische inductie.

Om te begrijpen hoe het magnetische veld een wisselstroom produceert, stel je een magneet voor, zoals de naald op een kompas, die ronddraait. Op elk punt rond het kompas passeren de positieve en negatieve polen van de magneet terwijl de magneet draait. Het wisselende magnetische veld dat op een draadspoel wordt toegepast, wisselt de spanningspolariteit af, waardoor een omkeerstroom in het circuit wordt geproduceerd.

DC-generatoren zijn vergelijkbaar met AC-generatoren, maar ze zijn complexer om te engineeren, zijn niet zo efficiënt en vereisen veel meer onderhoud dan AC-generatoren. Een DC-generator heeft zijn draadspoel op de as gemonteerd, terwijl een AC-generator daar de magneet heeft. Terwijl de spoel draait, komt deze in contact met koolborstels die rond de spoel zijn gemonteerd, waardoor het externe circuit wordt in- en uitgeschakeld in het ritme van de wisselende magnetische polen, zodat slechts één polariteit naar het externe circuit wordt gestuurd.

De geschiedenis van AC-generatoren

De geschiedenis van AC-generatoren is verweven met de geschiedenis van dynamo's en DC-elektriciteit. De elektrische generator vindt zijn oorsprong in het werk van Michael Faraday en Joseph Henry, die elektromagnetische inductie ontdekten. De eerste AC-generator werd per ongeluk gemaakt door Hippolyte Pixii terwijl hij in 1832 de eerste dynamo uitvond, die pulsen van DC-elektriciteit afleverde. Na 1832 waren er enkele belangrijke mijlpalen in de ontwikkeling van generatoren:

1860: Antonio Pacinotti vond een dynamo uit die continu gelijkstroom leverde.
1867: Werner Von Siemens en Charles Wheatstone vonden een krachtigere dynamo uit met behulp van een zelfaangedreven elektromagneet.
1871: Zenobe Gramme creëerde de eerste commercieel haalbare dynamo door een ijzeren kern in het magnetische veld te plaatsen, waardoor het vermogen enorm toenam.
1878: Het bedrijf Ganz creëerde de eerste AC-generatoren voor gebruik in commerciële operaties in Boedapest.

Tot het einde van de jaren 1880 was het vroege gebruik van elektriciteit in de VS beperkt tot gelijkstroom. Thomas Edison had zwaar geïnvesteerd in gelijkstroomtechnologie. Gelijkstroom begon echter in de problemen te komen toen steeds meer mensen elektriciteit wilden in hun huizen en bedrijven. Gelijkstroom kon niet gemakkelijk worden omgezet in verschillende spanningen, dus energiecentrales moesten zich binnen een paar stadsblokken van elke klant bevinden. Dit zou snel veranderen, grotendeels dankzij het werk van Nikola Tesla.

1893 en de oorlog van de stromingen

Aan het einde van de 19e eeuw had Nikola Tesla, gesteund door George Westinghouse, aangetoond dat, in tegenstelling tot gelijkstroom, wisselstroom kan worden omgezet van de ene spanning naar de andere met behulp van een transformator. Het vermogen kan dus over lange afstanden worden verzonden met een hoge spanning en vervolgens worden teruggebracht tot een lagere spanning om klanten te bedienen.

Thomas Edison had echter veel te veel geld geïnvesteerd in DC-infrastructuur om de overstap naar AC zonder slag of stoot te maken. Edison begon een lastercampagne om wisselstroom in diskrediet te brengen als veel te gevaarlijk om te gebruiken, en promootte onder andere een door wisselstroom aangedreven elektrische stoel als een nieuwe executiemethode en elektrocuteerde zwerfdieren als openbare demonstraties van het gevaar van wisselstroom.

Twee gebeurtenissen in 1893 markeerden het einde van het bewind van DC. Ten eerste werd de Chicago World's Fair verlicht door 100.000 elektrische lampen aangedreven door Tesla's wisselstroom, waardoor de miljoenen bezoekers die elke avond aanwezig waren, verblind werden. Ten tweede gunde de Niagara Falls Power Company Westinghouse het contract om elektriciteit op te wekken uit Niagara Falls met behulp van Tesla's meerfasige AC-inductiemotoren (een soort AC-generator), die binnenkort stroom zouden leveren aan Buffalo, New York en het grootste deel van de oostelijke Verenigde Staten.

Soorten generatoren

Elektrische generatoren produceren allemaal elektrisch vermogen uit kinetische energie, dus het is gebruikelijk dat ze aan een motor worden bevestigd om de as van de generator te verplaatsen. Een dieselaangedreven motor die de as van een generator draait, kan een dieselgenerator, een generatorset voor dieselbrandstof of een generatorset voor dieselbrandstof worden genoemd.

De meeste generatoren, inclusief back-upgeneratoren, worden permanent geïnstalleerd waar ze nodig zijn, terwijl kleinere, draagbare generatoren worden gebruikt voor zaken als kampeertrips of om huizen van stroom te voorzien tijdens een stroomstoring. Alle AC-generatoren kunnen worden ingedeeld op basis van de ingangsenergiebron:

Fossiele brandstoffen: Deze omvatten benzinegeneratoren, dieselgeneratoren, aardgasgeneratoren en propaangeneratoren.
Natuurlijke energie: Ook wel groene stroomopwekkingssystemen genoemd, deze omvatten zonnegeneratoren en windenergiegeneratoren. Hydro-elektrische generatoren, die de beweging van stromend water opvangen, vallen ook in deze categorie.
Bestaande energie: Sommige generatoren vangen overtollige energie op die al door een andere machine of een ander proces wordt geproduceerd, zoals in fabrieken. Hydraulische generatoren gebruiken bijvoorbeeld de hydraulische druk die door een ander systeem wordt gecreëerd om de elektrische generator aan te drijven.

Thermo-elektrische generatoren gebruiken het temperatuurverschil tussen twee geleiders of halfgeleiders in een fenomeen dat het Seebeck-effect wordt genoemd.

Toepassingen van AC-generatoren

Naast hun stroombronnen kunnen generatoren worden geclassificeerd op basis van hun toepassing in de industrie. Enkele hiervan zijn:

Energiecentrales: Deze generatoren produceren elektriciteit voor een hele regio, inclusief steden, dorpen, huizen en bedrijven.
Landbouw: Een PTO-generator gebruikt de aandrijfas van een tractor als input-energiebron. Dit is een voorbeeld van een draagbare generator.
Vliegtuigen: Grote vliegtuigen gebruiken vaak wisselstroomgeneratoren om elektrische systemen aan boord van stroom te voorzien. Eén type systeem wordt een vliegtuigram-luchtturbinegenerator genoemd, die luchtdruk gebruikt die door de vlucht van het vliegtuig wordt gecreëerd om een turbine te laten draaien die aan een generator is bevestigd.
Luchthavens: Startgeneratoren voor vliegtuigen en generatoren voor grondondersteuning drijven vliegtuigen aan wanneer de motoren worden uitgeschakeld om elektrische systemen aan boord te laten werken.
Automobielgeneratoren: Deze worden dynamo's genoemd en produceren wisselstroom die wordt omgezet in gelijkstroom om de elektronische systemen van het voertuig te laten werken. Voertuigen met een grotere stroombehoefte, zoals recreatievoertuigen, hebben grotere generatoren.
Mariene generatoren: Met behulp van de scheepsmotoren als ingangsenergiebron leveren deze stroom aan de elektrische systemen van een schip.
Lassen: Booglasgeneratoren leveren hoge uitgangsstromen, gemeten in honderden ampères, om de elektriciteit te leveren die nodig is voor booglasapparatuur.