Dynamo: princip činnosti stejnosměrného generátoru, vlastnosti zařízení, role kotvy a kolektoru

Dynama jsou podobná zařízení na střídavý proud v tom, že přeměňují mechanickou energii elektrika vyžaduje stejné součásti: stator (nehybná část) a kotva generátoru (rotující živel). Stejné konstrukční prvky jsou také použitelné pro vytvoření stejnosměrného motoru. Proto se takové generátory pro jejich úplnou reverzibilitu bez jakýchkoli změn nazývají stejnosměrné stroje.

Historie a evoluce

Dynama byly prvními elektrickými stroji schopnými vyrábět energii pro průmysl a základem bylo navrženo mnoho dalších rotačních zařízení pro přeměnu mechanické a elektrické energie, včetně elektrický motor. Teorii fungování elektromagnetických generátorů vytvořil Michael Faraday v roce 1832.

Sestrojil také první zařízení známé jako Faradayův disk. Toto zařízení vytvářelo nízké stejnosměrné napětí, k jehož výrobě bylo využito otáčení měděného kotouče mezi póly podkovovitého magnetu. Unipolární generátor vytvořený Faradayem pro demonstrační účely byl pro praktické použití zcela nevhodný, protože to mělo dvě vážné nevýhody:

1. Proud indukovaný přímo v oblasti působení magnetu se ve zbývajících částech disku samočinně uzavřel, v zapojení, se kterým vyrobená elektřina vykonávala hlavně práci při ohřevu rotující mědi plátna.
2. Napětí generované zařízením bylo extrémně nízké kvůli jednoduchosti vodiče procházejícího magnetickým tokem.

Tyto problémy by se daly vyřešit zvýšením počtu magnetů po obvodu a použitím cívek s vinutím místo disku. Podobné schéma se stalo charakteristickým pro všechny následující konstrukce dynamostrojů. Z další historie vývoje generátorů lze rozlišit následující data:

• 1832 g. - Francouzský výrobce nástrojů Pixie postavil první dynamo založené na Faradayových principech;
• 1860 g. - italský profesor fyziky Pacinotti vytvořil generátor téměř moderního typu;
• 1866-1867 - Nezávisle na sobě získali Whitson, Siemens a Varley patenty na samobuzená dynama;
• 1871 g. - Belgický Gramm, založený na Pacinottimově návrhu, vytvořil první komerční generátor pro průmysl.

Nejjednodušší elektrický stroj

Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce, změna magnetického toku na otočení drátu vyvolá magnetickou sílu, která způsobí pohyb elektronů ve vodiči. Tím se v cívce vytvoří elektrický proud. Tento jev se nazývá elektromagnetická indukce a slouží jako základ pro konstrukci elektrických strojů. Krátce Principy stejnosměrného generátoru jsou následující:

1. Magnetická síla působící na elektrony vytváří elektromotorickou sílu, která uvádí elektrony do pohybu v obvodu.
2. Síla a směr tohoto EMF je dána silou a směrem magnetického pole a také rychlostí pohybující se části, kterou může být jak vodič, tak magnet.

V podstatě všechny elektrické generátory fungují na stejném principu, bez ohledu na to, zda produkují střídavý nebo stejnosměrný proud. Ve vinutí kotvy dynamostrojů se totiž indukuje střídavý proud, který se pomocí kolektoru a kartáčové jednotky přeměňuje na stejnosměrný.

Obsluhu této třídy zařízení je vhodné zvážit na příkladu jednoduchého generátoru, navíc vybaveného spínačem pro usměrnění proudu. Dobrým názorným modelem pro pochopení procesů probíhajících v dynamu může být rotující cívka pravoúhlého vodiče umístěná mezi dvěma protilehlými póly magnetu.

Při plném otočení takového rámu se v něm indukuje elektrický proud, který bude cirkulovat smyčkou. Jeho směr lze určit pomocí Flemingova pravidla pravé ruky, které říká, že pokud umístíte ruku tak dlaň vstoupila do magnetického toku a nasměrujte ohnutý palec ve směru pohybu vodiče, pak ukazováček ukáže směr proud. V tomto případě pochopit procesy v nejjednodušším generátoru bude vhodné rozlišit čtyři polohy smyčky vzhledem k magnetu:

• 0 ° - cívka se pohybuje rovnoběžně se směrem magnetického proudu, takže se neindukuje žádný potenciálový rozdíl;
• 90 ° - potenciální rozdíl je maximální;
• 180 ° - otočení je opět rovnoběžné s magnetickým polem;
• 270 ° - maximální EMF je indukováno, ale v opačném směru;
• 360 ° - návrat do výchozího bodu.

Tvar proměnného výstupního elektrického signálu lze považovat za sinusoidu. Pomocí sběrače se spojení kartáčů s cívkou obrátí každý půl cyklus. Díky tomu se proud ve vnějším obvodu generátoru pohybuje jedním směrem.

Budicí vinutí

Zařízení generátoru stejnosměrného proudu má potenciál být použito pouze v malých elektrických strojích. Především proto, že u zařízení s nízkým výkonem je použití permanentních magnetů přípustné. V ostatních případech mohou vytvořit magnetický tok dostatečné síly pouze solenoidy - cívky s jádrem - nebo budicí vinutí. Podle druhu jídla, které jedí generátory lze rozdělit do následujících tříd:

• s nezávislým vzrušením;
• sebevzrušený.

Pro první operaci je nutný pomocný zdroj proudu. To je hlavní nevýhoda tohoto typu strojů, proto je jejich použití omezené. U generátorů s nezávislým buzením jsou vinutí napájena z kotvy. Elektrické stroje uspořádané podle tohoto schématu, jsou rozděleny do tří typů:

• bočník (s paralelním buzením);
• sériový (se sériovým);
• složené generátory (s paralelními a sériovými budicími cívkami).

Moderní dynama

Jednou z vlastností kolektorových generátorů je jejich omezení napětí. To je způsobeno nutností zabránit jiskření mezi kartáči a sběračem. Proto se u některých strojů přeměna střídavého proudu na stejnosměrný proud provádí pomocí elektronických zařízení, například diodových usměrňovačů.

Na rozdíl od nejjednodušší konstrukce používají moderní generátory bubnové armatury, které se zpravidla skládají z velký počet závitů umístěných v podélných štěrbinách jádra a připojených k odpovídajícím segmentům násobku přepínač.

Vícesegmentový kolektor použitý u bubnu kotvy vždy připojuje vnější obvod pouze k závitům drátu pohybujícím se zónou maximální intenzity magnetického pole. V důsledku této práce je proud generovaný ve vinutí kotvy téměř konstantní. Tyto generátory jsou obvykle vybaveny čtyřmi nebo více elektromagnetickými póly za účelem zvýšení velikosti a síly magnetického pole.

Velká dynama našla své uplatnění v moderním světě jako součásti větrných turbín nebo vodních turbín, as vratného stroje v elektrické dopravě a v těch oblastech průmyslu, kde je jejich využití technologicky žádná alternativa. Jejich poměrně složitá konstrukce a také vhodnost střídavého proudu pro přepravu vedly k tomu že stejnosměrné generátory byly od vynálezu nahrazeny ekonomičtějšími asynchronními zařízení.