Wat is een alternator of wisselstroomdynamo?

Een wisselstroomdynamo of alternator is een machine waarmee men mechanische energie kan omzetten in elektrische wisselstroomenergie. De mechanische energie komt binnen via een draaiende as. Dit is bewegingsenergie oftewel mechanische energie. De bewegingsenergie wordt omgezet in elektrische energie. Men kan beweging dus met behulp van een alternator omzetten in elektriciteit.

Hoe werkt een alternator?
De as, die de mechanische energie overbrengt, is bevestigd aan een rotor. Dit deel draait in een stilstaand gedeelte dat ook wel de stator wordt genoemd. De elektrische geleider aan de rotor beweegt zich door een magnetisch veld waardoor elektrische spanningen worden opgewekt in de geleider. Bij een gesloten kring ontstaat er een stroom die gaat vloeien.

Bij kleine alternatoren wordt het magnetisch veld opgewekt door één of meerdere permanente magneten. Als men gebruik maakt van grotere alternatoren zit er een elektromagneet in de rotor. De stator bevat één of meerder spoelen waarin de gewenste  sinusvormige wisselspanning wordt opgewekt door de rotor.

Waar worden alternatoren toegepast?
Alternatoren worden in verschillende technische installaties toegepast. Hieronder zijn drie bekende voorbeelden genoemd:

  • In elektriciteitscentrales zoals kolencentrales maar ook kerncentrales wekt men elektriciteit op en daarvoor worden alternatoren gebruikt.
  • Veel moderne auto’s bevatten een alternator in plaats van een dynamo. Voor 1960 maakte men in de autotechniek gebruik van dynamo’s. Tegenwoordig maakt men gebruik van een 3 fasen alternator. De opgewekte wisselspanning wordt gelijkgericht met diodebruggen. De aandrijving van de alternator wordt gedaan door de motor van de auto met behulp van een V-snaar of multiriem. Via een spanningsregelaar laadt de alternator de accu van de auto op.
  • Veel aggregaten bevatten een verbrandingsmotor. Met deze verbrandingsmotor wordt de generator aangedreven. De verbrandingsmotor levert energie die doormiddel van de alternator omgezet wordt in elektrische energie. Aggregaten worden daarom vaak gebruikt voor elektrische energievoorziening als er geen netstroom aanwezig is of als er een storing is in het lichtnet.

Wat is een turbine en waarvoor worden turbines gebruikt in de techniek?

Turbines worden op verschillende manieren toegepast in de techniek. De naam turbine is afgeleid van het Latijnse woord ‘turbinis’ dit betekend in het Nederlands wervelstroom. Claude Burdin is de persoon die de naam turbine has voorgesteld in 1828 tijdens een ingenieurswedstrijd. Er bestaan verschillende soorten turbines. Men kan turbines indelen op een aantal manieren. Zo kan men turbines indelen in gasturbines, stoomturbines, windturbines en waterturbines. Zo maken waterkrachtinstallaties bijvoorbeeld gebruik van waterturbines. Deze turbines worden door water in beweging gebracht. Windturbines komen in beweging door de kracht van de wind. Naast de onderverdeling tussen de vloeistoffen en gassen die een turbine in beweging brengen kan men turbines ook op een andere manier indelen. De onderverdeling tussen impulsturbines en reactieturbines komt in de praktijk ook voor.

Hoe werken turbines?
Turbines zijn turbomachines die stromingsenergie omzetten in mechanische energie. Deze stromingsenergie kan uit een stroom vloeistof of gas bestaan en heeft een bepaalde snelheid. Als men deze stroom richt op een schoepenrad die bevestiging is aan een rad zorgt de snelheid van de stroom vloeistof of gas er voor dat het rad gaat draaien. Het is belangrijk dat de stroming goed wordt geleid in de gewenste richting. Daarom worden meestal behuizingen aangebracht rond het schoepenrad. Dit gebeurd bijvoorbeeld bij stoomturbines, gasturbines en waterturbines. Als men de stroming van het gas of de vloeistof goed stuurt in de richting van het schoepenrad draait deze effectiever en werkt de turbine beter. Doormiddel van het  roterend schoepensysteem zet de turbine de stromingssnelheid om in mechanische energie. De mechanische energie kan vervolgens worden gebruikt voor de aandrijving van een machine of een elektrische generator.

Waarvoor worden turbines gebruikt?
Turbines worden gebruikt om stromingsenergie om te zetten in mechanische energie oftewel bewegingsenergie. Hierdoor kunnen machines direct worden aangedreven maar het is ook mogelijk om turbines te gebruiken om elektriciteit op te wekken. Hiervoor worden bijvoorbeeld stoomturbines gebruikt in elektriciteitscentrales. De stoomdruk of stoomsnelheid brengt hierbij een schoepenrad in beweging. Een generator zet vervolgens deze beweging om in elektrische energie. Ook met windmolens of windturbines kan elektriciteit worden opgewekt. Deze turbines worden doormiddel van de wind in beweging gebracht. Hierbij zorgt een generator er ook voor dat de mechanische energie wordt omgezet in elektriciteit.

Hydraulische turbines kunnen worden gebruikt voor het omzetten van de stromingsenergie van water in bijvoorbeeld elektriciteit. Deze stromingsenergie ontstaat als er een hoogte verschil tussen twee waterniveaus aanwezig is en het ene waterniveau naar het andere niveau kan stromen. Het water stroomt naar het laagste punt en creëert hierdoor stromingsenergie. De hydraulische turbine kan door deze stromingsenergie in beweging worden gebracht. Daardoor gaat de hydraulisch turbine draaien en ontstaat mechanische energie die weer in elektrische energie kan worden omgezet met behulp van een generator. Meestal zijn er in een waterkrachtcentrale meerdere hydraulische turbines aanwezig.

Turbine of compressor
In de techniek worden ook compressoren gebruikt. De werking hiervan is juist omgekeerd. Doormiddel van elektriciteit wordt een schoepenrad in beweging gebracht waardoor luchtdruk ontstaat. Deze luchtdruk kan worden gebruikt voor pneumatiek. Pneumatische systemen kunnen worden gebruikt om machines in beweging te brengen.

Wat is warmte-krachtkoppeling WKK en waarvoor wordt deze techniek gebruikt?

Warmte-krachtkoppeling is het benutten van de restwarmte die vrijkomt in de stoomkringloop wanneer stoomdruk wordt gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Deze restwarmte kan worden gebruikt voor verschillende doeleinden. Hieronder is in een aantal alinea’s uitgelegd hoe de stoomkringloop werkt voor het opwekken van elektriciteit. Daarna is aangegeven wat een warmte-krachtkoppeling is en waarom deze zo belangrijk is.

De stoomkringloop voor het opwekken van elektriciteit
In stoomketels wordt water verwarmt zodat stoom ontstaat. Deze stoom bevat een bepaalde druk die er voor zorgt dat  de stoom arbeid kan verrichten. Voor het opwekken van elektriciteit wordt de stoomdruk gebruikt om een aantal loopwielen die van schoepen zijn voorzien in beweging te brengen. De stoom drukt tegen de schoepen van de loopwielen aan zodat deze snel beginnen te draaien. Deze loopwielen met schoepen bevinden zich in de stoomturbine.

Deze stoomturbine is gekoppeld aan een generator. De generator wekt elektrische stroom op met een hoge spanning. De stoom die de schoepen in beweging heeft gebracht heeft in feite arbeid verricht. Nadat de stoom arbeid heeft verricht wordt ook wel gesproken over afgewerkte stoom. Deze afgewerkte stoom wordt weer afgekoeld. Hierdoor veranderd de stoom weer in water. Dit proces gebeurd doormiddel van condensors in een condensatieturbine. Deze bevat een aantal bundels met condensorpijpen. Koelwaterpompen zorgen er voor dat er koelwater door deze condensorpijpen wordt geperst. De afgewerkte stoom veranderd in water oftewel in condensaat wanneer deze in contact komt met de condensorpijpen. Dit condensaat wordt weer naar de ketel teruggebracht, die het vervolgens doormiddel van hitte weer in stoom verandert. De stoomkringloop is nu rond. Het koelwater dat door de condensorpijpen stroomt wordt echter warm door de afgewerkte stoom en wordt naar buiten getransporteerd.

Warmte-krachtkoppeling
In een stoomkringloop wordt slechts een deel van de opgewekte warmte gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Het elektrisch rendement van moderne elektriciteitscentrales is ongeveer zestig procent. De overige energie die in de stoomkringloop van deze centrales ontstaat komt vrij als warmte. Deze warmte wordt afgevoerd met het koelwater zoals in de vorige alinea is beschreven. Doormiddel van een warmte-krachtkoppeling kan deze warmte nuttig worden gebruikt. De warmte-krachtkoppeling wordt vaak afgekort met WKK en wordt gebruikt om de warmte uit de afgewerkte stoom te benutten voor verwarming en droging. Door de WKK kunnen woningen, fabrieken en utiliteit worden verwarmd. Een warmte-krachtkoppeling is een gecombineerde opwekking en productie van elektriciteit en warmte die nuttig wordt gebruikt. Doordat de warmte die vrijkomt uit de afgewerkte stoom wordt hergebruikt voor de verwarming van gebouwen hoeft men minder brandstoffen te verbranden om de gewenste temperatuur te bereiken. Hierdoor wordt brandstof bespaard. Dit is gunstig voor het milieu omdat minder brandstoffen worden verbrand en daarmee de CO2 uitstoot wordt beperkt. Daarnaast is het ook nog financieel aantrekkelijk.

Samenvatting: hoe werkt een warmte-krachtkoppeling?
Het gebruik van een warmte-krachtkoppeling zorgt er voor dat de afgewerkte stoom die de stoomturbine verlaat niet wordt gecondenseerd in een condensor. Het warme water dat de afgewerkte stoom bevat wordt hergebruikt voor bijvoorbeeld een centrale verwarming.

Wat is transmissie en welke verschillende soorten overbrenging zijn er in de techniek?

In veel technieken wordt gebruik gemaakt van vermogens om een bepaalde arbeid te verrichten. Niet alleen in de voertuigentechniek wordt gebruik gemaakt van vermogens ook in de machinebouw en werktuigbouwkunde. Er zijn verschillende technieken die in de praktijk worden toegepast voor het omvormen en overbrengen van vermogens. Het overbrengen van vermogens wordt ook wel transmissie genoemd. Het doel van transmissie is op het juiste moment kracht omzetten in snelheid en snelheid omzetten in kracht.

Binnen de werktuigbouwkunde wordt gebruik gemaakt van aandrijfmotoren. Deze aandrijfmotoren hebben een bepaalde snelheid en een bepaald koppel. De snelheid waarmee werktuigen arbeid verrichten is verschillend. Daarom worden in werktuigen overbrengingssystemen toegepast waarmee de juiste snelheid, de juiste kracht of het juiste koppel kan worden geregeld. Deze overbrengingen worden ook wel transmissies genoemd.

Er zijn verschillende soorten overbrengingen. Deze worden in vier hoofdgroepen gecategoriseerd. Deze vier hoofdgroepen zijn als volgt:

  • mechanische overbrengingen
  • hydraulische overbrengingen
  • pneumatische overbrengingen
  • elektrische overbrengingen

Hieronder is een beschrijving weergegeven van de eigenschappen van deze verschillende overbrengingen.

Mechanische overbrengingen
Mechanische overbrengingen worden in de techniek zeer veel toegepast. Daarnaast zijn mechanische overbrengingen ook de oudste overbrengingen in de techniek. Door de jaren heen zijn verschillende mechanische systemen ontwikkelt waarmee krachten kunnen worden overgebracht. Onder de mechanische overbrengen vallen de volgende transmissies:

Tandwieloverbrenging: deze overbrengingen bestaan uit minimaal twee tandwielen die minimaal zes tanden bevatten die in elkaar draaien. Deze draaien in tegengestelde richting. Wanneer men wil dat het gedreven tandwiel draait in de zelfde richting als het drijvende wiel dan zal men tussen beide tandwielen een extra tandwiel moeten plaatsen. Bij tandwieloverbrenging wordt meestal gebruik gemaakt van tandwielen met een verschillende diameter. Een klein tandwiel dat een groot tandwiel in beweging brengt zorgt voor een vertraging en voor een krachttoename. Een groot tandwiel dat een klein tandwieltje in beweging brengt zorgt voor een versnelling. In het laatste geval neemt de kracht echter wel af.

Wormwieloverbrenging: deze overbrenging bestaat wormwielen. Deze wielen zijn spiraalvormige tandwielen die doormiddel van aandrijving langzaam gaan draaien. Wormwielen hebben dan een hoog koppel. Als een wormwiel echter wordt aangedreven blokkeert het systeem en kan er geen overbrenging plaatsvinden.

Riemoverbrenging: bij deze overbrenging wordt gebruik gemaakt van een riem. Deze loopt over twee evenwijdige assen. Op deze assen zijn zogenoemde riemschijven gemonteerd. De riem loopt over deze schijven. De riem die voor riemoverbrengingen wordt gebruikt bevat geen einde. De diameter die wordt gebruikt voor de riemschijven van een riemoverbrengingen kan verschillen. Door verschillende diameters toe te passen kunnen versnellingen of vertragingen worden gerealiseerd. Wanneer de diameters gelijk zijn van de riemschijven draaien beide riemen met ongeveer met dezelfde snelheid, wanneer er nauwelijks slip optreed. Een voordeel van riemoverbrenging is dat men doormiddel van een riem een behoorlijke afstand kan overbruggen tussen de riemschijven. Een nadeel van een riemoverbrenging is dat de riem ook kan slippen over de riemschrijven. Daardoor gaat de gedreven riemschijf langzamer draaien dan de drijvende riemschijf. Door gebruikt te maken van vertande riemen en vertande riemschrijven  kan dit nadeel worden voorkomen.

Kettingoverbrenging: deze overbrenging combineert de eigenschappen van tandwieloverbrengingen en riemoverbrengingen. Een kettingoverbrenging kan net als een riemoverbrenging over een langere afstand beweging overbrengen. Dit is bij een tandwieloverbrenging bijvoorbeeld niet goed mogelijk omdat men daarbij gebonden is aan de diameters van de tandwielen. Een ketting kan over een langere afstand worden aangebracht om tandwielen met elkaar te verbinden. De vorm van de tandwielen zijn bij een kettingoverbrenging anders dan de vorm van de tandwielen die worden gebruikt bij een tandwieloverbrenging. De assen van de tandwielen moeten evenwijdig lopen omdat de ketting anders niet goed aangebracht kan worden en daarnaast zorgt een ketting die scheef is aangebracht voor meer wrijving en slijtage. Kettingen moeten goed onderhouden worden. Ze moeten regelmatig moet het juiste smeermiddel worden gesmeerd om metallisch contact zoveel mogelijk te beperken. In tegenstelling tot riemoverbrengingen zorgen kettingoverbrengingen voor meer lawaai.

Cardanoverbrenging: deze overbrenging wordt gebruikt om een beweging over een grote afstand te realiseren tussen twee assen die elkaar snijden in het verlengde. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een kruiskoppeling. Deze kruiskoppeling is verbonden aan een zogenoemde cardanas. Deze overbrenging is vernoemd naar de Italiaan Girolamo Cardano. Door de cardanoverbrenging kan niet een versnelling worden gerealiseerd. Beide assen draaien met dezelfde snelheid. Cardanassen worden onder andere in auto´s gebruikt. Het vormt de koppeling van de versnellingsbak met het differentieel.

Hydraulische overbrenging
Hydraulische overbrengingen worden gebruikt voor het overbrengen van grote vermogens en krachten. Hiervoor worden hydraulische circuits aangelegd in machines, voertuigen en werktuigen. Hydraulische systemen vallen onder hydrauliek. Deze techniek draait om vloeistofdruk. De meest gebruikte vloeistof in hydrauliek is hydrauliekolie. Deze olie wordt doormiddel van een pomp op druk gebracht. Door deze pomp wordt mechanische  energie omgezet in hydraulische energie. Deze hydraulische energie is in feite hydraulische druk en kan weer worden omgezet in mechanische energie. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een translerende of roterende motor. Hydraulische overbrenging wordt onder andere veel toegepast in kraanaandrijvingen en graafmachines.

Pneumatische overbrenging
Een pneumatische overbrenging lijkt veel op een hydraulische overbrengingen. Het belangrijkste verschil is dat hydrauliek gebruik maakt van oliedruk en pneumatiek gebruik maakt dan luchtdruk. Hiervoor wordt lucht gebruikt die een bepaalde druk heeft, dit wordt ook wel perslucht genoemd. Een compressor wordt gebruikt om lucht te comprimeren. Er zijn verschillende soorten compressors die in de techniek worden gebruikt, zo zijn er bijvoorbeeld schroefcompressors en zuigercompressors. Compressors zorgen voor luchtdruk. Om continuïteit in luchtdruk te garanderen wordt gebruik gemaakt van ketels waarin de lucht wordt opgeslagen. Doormiddel van pneumatische druk kunnen krachten worden overgebracht en kan machine arbeid verrichten.

Elektrische overbrenging
Een elektrische overbrenging kan worden gebruikt om grote vermogens over te brengen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een elektrische kring. Hiervoor moet elektriciteit worden opgewekt. Een motor kan voor het opwekken van elektriciteit doormiddel van verbranding van een brandstof, zoals diesel of benzine, een generator aandrijven. Dit systeem wordt ook wel een aggregaat genoemd en dient er voor om doormiddel van een brandstofmotor elektrische energie op te wekken. Deze elektrische energie vormt een energiebron voor een elektromotor. De elektromotor hoeft echter niet naast de generator te staan. Doormiddel van elektriciteitskabels kan de elektrische energie over de gewenste afstand worden overgebracht. Hierbij moet rekening worden gehouden met de weerstand die de elektriciteitskabel bied en de weerstand van de elektromotor. Wanneer het geboden vermogen is afgestemd op het benodigde vermogen kan een elektromotor effectief arbeid verrichten.

Men spreekt van een dieselelektrische aandrijving wanneer een generator wordt aangedreven door een dieselmotor. De generator levert vervolgens stroom voor één over meerdere elektromotoren. Dit is een vorm van indirecte overbrenging. Dieselelektrische aandrijving wordt onder andere gebruikt in treinen en in bepaalde dieselauto´s. Wanneer men deze aandrijftechniek gebruikt in schepen en andere vaartuigen noemt men dit dieselelektrische voortstuwing.