Miniatuur stoommachine

De traagdraaiende stoommachine was ideaal in combinatie met een dynamo omdat de koolborstels minder snel verslijten als het anker trager draait. Een stoommachine met dynamo draaide aan een snelheid van ongeveer 100 toeren per minuut.

Toen de eerste alternatoren werden gebruikt, was er een speciale constructie nodig (op het vliegwiel) om met een traagdraaiende stoommachine toch een voldoende hoge frekwentie te bekomen om het flikkeren van de lichten te vermijden.

Bij de overgang naar wisselspanning was er geen overeenstemming wat betreft de frekwentie, iedere centrale had zijn eigen frekwentie, die niet echt stabiel was.

Tesla en Edison

Edison was eigenlijk geen voorstander van de doodstraf, maar heeft niet geaarzeld om de doodstraf door middel van elektriciteit te promoten (wisselspanning, natuurlijk) om aan te tonen hoe gevaarlijk wisselspanning wel was. Onderzoek met betrekking tot de electrische stoel werd in het geheim betaald door Edison. Alle middelen waren goed om wisselspanning in een "gevaarlijk" daglicht te plaatsen, zie bijvoorbeeld het verhaal over Topsy.

In feite is gelijkspanning gevaarlijker omdat men bij aanraking van een stroomvoerende draad aan de geleider blijft plakken.

De eerste steden met een eigen electriciteitsnet De eerste steden hadden een gelijksspanningsnet die gemakkelijker te implementeren was. Om grotere gebieden van stroom te voorzien was men verplicht over te schakelen op wisselspanning. Van zodra men de standsnetten aan elkaar ging koppelen moest men een systeem vinden om de alternatoren te synchroniseren.

Maar uiteindelijk zag men de nadelen van gelijkspanning in. De eerste transformatoren met een aanvaardbaar rendement werden gebouwd, er ontstonden motoren die zowel op gelijkstroom als op wisselstroom konden werken. De nadelen van wisselspanning vielen één voor één weg, terwijl de nadelen van gelijkspanning meer en meer opvielen met de schaalvergroting:

• Er was een centrale om de 4km nodig om niet te moeten werken met overmatig dikke kabels
• Een dynamo heeft een lager rendement dan een alternator, en het verschil in rendement stijgt met het vermogen.
• Gelijkstroom kan niet getransformeerd worden, wat bepaalde toepassingen (toen) onmogelijk maakte, bijvoorbeeld de neon-reklame.
• De spanning die een dynamo levert kan niet hoger dan een paar duizend volt zijn (om vonkoverslag in de collector te vermijden)

Om stroom te kunnen produceren heeft men een wisselend magnetisch veld nodig (bijvoorbeeld een roterende spoel in een vast magnetisch veld). De aldus geproduceerde stroom is ook wisselend en er is een schakelsysteem nodig om de wisselspanning om te zetten naar gelijkspanning: dat zijn de collector en de koolborstels van de dynamo. De volledige stroom moet noodzakelijkerwijze via de koolborstels lopen, die dus dikker en dikker moeten worden als de stroom verhoogd wordt.

Om meer vermogen te kunnen leveren aan de gebruikers werkte men met een electriciteitsnet met drie geleiders: +110V, -110V en de massa. De gebruikers werden verdeeld tussen de +110V of de -110V en de massa. Na de tweede wereldoorlog waren alle gelijkstroomnetten nagenoeg verdwenen, behalve op schepen, waar het boordnet nog altijd gelijkspanning was.

Als men een zeer hoge gelijkstroom nodig heeft bij een lage spanning, dan nemen de koolborstels meer plaats in dan de spoelen zelf. Het betreft hier een dynamo die voor galvanoplastie gebruikt werd (maximum een paar volt en stroom van meer dan duizend ampères).

De dynamo werd aangedreven door een stoommachine of door een electrische motor.

De dynamo heeft een brede collector en dikke koolborstels Generator aan boord van een mijnenveger (1936)

De dynamospanning kan niet opgevoerd worden (om de stroom te verminderen) omdat de apparaten toen op 110V werkten en gelijkspanning niet getransformeerd kon worden. Overigens was men ook beperkt wat betreft de maximale spanning omdat bij een hoge werkspanning de spanning tussen de collectoren ook hoger wordt, met meer vonkvorming aan de koolborstels.

Dit is de originele generator die gebruikt werd aan boord van de Abraham Crijnssen, een Nederlandse mijnenveger uit 1936. Hoewel er reeds dieselmotoren en alternatoren bestonden, werd hier gekozen voor een stoommachine en een dynamo (110V, 80A bij 350 omwentelingen/minuut). Het duurde 4 uur om de ketels op temperatuur te brengen.

De meters van een militair vaartuig na de tweede wereldoorlog. De dynamo leverde 55kW (250A bij 220V) voor gebuik aan boord (hoteldiensten).

De eerste alternatoren hadden een bekrachtigingsdynamo

Deze alternator levert een vermogen van 500MW op 12kV. De spanning wordt opgevoerd naar 380kV voor transport. Dit is een alternator van een grote thermische centrale.

Eenmaal dat men op wisselspanning overgestapt is, heeft men alternatoren kunnen bouwen die een hoger rendement haalden en die de nadelen van de dynamo's niet meer hadden: de generatorspanning kon vrij gekozen worden (de eerste grote generatoren hadden allemaal een spanning van 10kV) want men zat niet meer vast aan de netspanning.

Een alternator is omgekeerd gebouwd in vergelijking met een dynamo: de veldwikkeling is nu een draaiende wikkeling (die dus een wisselend magnetisch veld produceert), terwijl de stroomwikkeling vast is. Dit is beter voor de koeling van de stroomwikkeling, maar het heeft ook als voordeel dat er geen hoge stroom meer door de borstels moet lopen. De veldwikkeling heeft enkel een relatief lage bekrachtigingsstroom nodig, en die kan aangevoerd worden door glijcontacten in plaats van koolborstels. In de latere versies kan men zelfs de contacten volledig elimineren (dubbeltraps alternator).

Men gaat opnieuw gelijkstroom gebruiken bij het vervoeren van energie over een relatief grote afstand (kabels op de zeebodem), dit is bijvoorbeeld het geval met windmolens. Windmolens zijn nooit synchroon met het electriciteitsnet: een omzetting is in ieder geval noodzakelijk. Men werkt hier graag met gelijkspanning omdat de crest factor bij gelijkspanning gunstiger is: de stroom is constant, waardoor de geleider optimaal benut wordt. Bij het transporteren van wisselspanning heeft men kabels die 1.4× dikker zijn (en met 3 geleiders voor triphasé in plaats van 2 voor gelijkstroom).

Rechts een heel vreemde gravure. Men zou denken dat dit de stator van een alternator aangedreven door een stoommachine is. Een stoommachine draait relatief traag, waardoor er veel polen nodig zijn om aan de frekwentie van 50Hz te komen. Met 12 polen moet de stoommachine aan 500 toeren per minuut draaien. De rotor bevat de veldwikkeling (ook met 12 polen) terwijl de wisselspanning aan de stator afgenomen wordt.

Maar dan vallen vreemde elementen op, namelijk de instelling om de neutrale lijn bij te stellen en de koolborstelhouders. Zou dit dan toch een dynamo zijn? Bij een dynamo is de veldwikkeling vast en wordt de stroom aan de rotor afgenomen. De neutrale lijn verloopt naargelang de belasting, vandaar de instelling. Bij een redelijk constante belasting kan de neutrale lijn éénmalig ingesteld worden (wiel B op de gravure). Recentere ontwerpen hebben compensatiepolen tussen de normale polen om de ankerreaktie tegen te werken.

Maar toch denk ik dat we hier te maken hebben met de stator van een gelijkstroommotor voor de aandrijving van liftkooien voor koolmijnen. Dit zijn motoren die nauwkeurig gestuurd kunnen worden door middel van een ward-leonardschakeling. De veldwikkeling (stator) krijgt een vaste spanning en de motor wordt gestuurd via de rotor (snelheid en draaizin).