Dünamo: alalisvoolugeneraatori tööpõhimõte, seadme omadused, armatuuri ja kollektori roll

Dünamo sarnaneb vahelduvvooluseadmetega, kuna need muundavad mehaanilist energiat elektri jaoks on vaja samu komponente: staatorit (paigalseisev osa) ja generaatori armatuuri (pöörlevat element). Samad konstruktsioonielemendid on rakendatavad ka alalisvoolumootori loomisel. Seetõttu nimetatakse selliseid generaatoreid nende täieliku pöörduvuse tõttu ilma muudatusteta alalisvoolumasinateks.

Ajalugu ja evolutsioon

Dünamos olid esimesed elektrimasinad, mis suutsid tööstuse jaoks energiat toota ja mille vundament projekteeriti palju teisi pöörlevaid seadmeid mehaanilise ja elektrilise võimsuse muundamiseks, sealhulgas elektrimootor. Elektromagnetiliste generaatorite tööteooria lõi Michael Faraday 1832. aastal.

Ta ehitas ka esimese seadme, mida tuntakse Faraday kettana. See seade tekitas madala alalispinge, mille tootmiseks kasutati vaskketta pöörlemist hobuserauamagneti pooluste vahel. Faraday demonstratsiooni eesmärgil loodud unipolaarne generaator ei sobinud praktiliseks kasutamiseks täielikult,

kuna sellel oli kaks tõsist puudust:

1. Otse magneti toimepiirkonnas indutseeritud vool sulgus ketta ülejäänud osades ise. millega tekkiv elekter tegi peamiselt pöörleva vase kuumutamise tööd lõuendid.
2. Seadme tekitatud pinge oli magnetvoogu läbiva juhi ainsuse tõttu äärmiselt madal.

Neid probleeme saab lahendada, suurendades ümber perimeetri magnetite arvu ja kasutades ketta asemel mähistega pooli. Sarnane skeem sai iseloomulikuks kõigile järgnevatele dünamomasinate konstruktsioonidele. Generaatorite edasisest arenguloost eristada saab järgmisi kuupäevi:

• 1832 g. - Prantsuse pillitootja Pixie ehitas esimese Faraday põhimõtetel põhineva dünamo;
• 1860 g. - Itaalia füüsikaprofessor Pacinotti lõi peaaegu kaasaegset tüüpi generaatori;
• 1866-1867 - Üksteisest sõltumatult said Whitson, Siemens ja Varley patendid iseergastuvatele dünamodele;
• 1871 g. - Belgia Gramm lõi Pacinotti disaini põhjal esimese tööstusliku kaubandusliku generaatori.

Lihtsaim elektrimasin

Faraday elektromagnetilise induktsiooni seaduse kohaselt tekitab magnetvoo muutumine juhtme pöördel magnetjõu, mis paneb elektronid juhis liikuma. See tekitab mähises elektrivoolu. Seda nähtust nimetatakse elektromagnetiliseks induktsiooniks, see on elektrimasinate projekteerimise alus. Lühidalt DC generaatori põhimõtted on järgmised:

1. Elektronidele rakendatav magnetjõud tekitab elektromotoorjõu, mis paneb elektronid ahelas liikuma.
2. Selle EMF-i tugevuse ja suuna määrab magnetvälja tugevus ja suund, samuti liikuva osa kiirus, mis võib olla nii juht kui ka magnet.

Põhimõtteliselt töötavad kõik elektrigeneraatorid samal põhimõttel, olenemata sellest, kas nad toodavad vahelduv- või alalisvoolu. Dünamomasinate armatuurimähistes indutseeritakse tegelikult vahelduvvool, mis muundatakse kollektori ja harjasõlme abil alalisvooluks.

Selle klassi seadmete tööd on mugav kaaluda lihtsa generaatori näitel, mis on lisaks varustatud voolu alaldi lülitiga. Heaks illustreerivaks mudeliks dünamos toimuvate protsesside mõistmiseks võib olla magneti kahe vastaspooluse vahele asetatud ristkülikukujulise juhi pöörlev mähis.

Sellise raami täispöördega indutseeritakse selles elektrivool, mis ringleb läbi ahela. Selle suunda saab määrata Flemingi parema käe reegli abil, mis ütleb, et kui asetate oma käe nii, et peopesa sisenes magnetvoogu ja suunake painutatud pöial juhi liikumise suunas, siis näitab nimetissõrm suunda praegune. Sel juhul protsesside mõistmiseks kõige lihtsamas generaatoris magneti suhtes on mugav eristada silmuse nelja asendit:

• 0 ° - mähis liigub paralleelselt magnetvoolu suunaga, seega potentsiaali erinevust ei indutseerita;
• 90 ° - potentsiaalide erinevus on maksimaalne;
• 180 ° - pööre on jälle paralleelne magnetväljaga;
• 270 ° - indutseeritakse maksimaalne EMF, kuid vastupidises suunas;
• 360 ° - tagasi alguspunkti.

Muutuva väljundi elektrisignaali kuju võib pidada sinusoidiks. Kollektori abil toimub harjade ühendus mähisega iga poole tsükli järel vastupidine. Tänu sellele liigub vool generaatori välisahelas ühes suunas.

Ergastusmähised

Alalisvoolu generaatorseadet saab kasutada ainult väikestes elektrimasinates. Esiteks seetõttu, et väikese võimsusega seadmete puhul on püsimagnetite kasutamine lubatud. Muudel juhtudel suudavad piisava tugevusega magnetvoo tekitada ainult solenoidid – südamikuga mähised – või ergutusmähised. Toidu tüübi järgi, mida nad söövad generaatorid võib jagada järgmistesse klassidesse:

• iseseisva põnevusega;
• enesest erutunud.

Esimeseks toiminguks on vaja lisavooluallikat. See on seda tüüpi masinate peamine puudus, mistõttu nende kasutamine on piiratud. Sõltumatu ergutusega generaatorites saavad mähised toite armatuurist. Selle skeemi järgi paigutatud elektrimasinad, jagunevad omakorda kolme tüüpi:

• šunt (paralleelergutusega);
• serial (seeriaga);
• liitgeneraatorid (paralleel- ja jadaergutusmähistega).

Kaasaegsed dünamo

Kollektorgeneraatorite üks omadusi on nende pingepiirang. Selle põhjuseks on vajadus vältida sädemete tekkimist harjade ja kollektori vahel. Seetõttu toimub mõnes masinas vahelduvvoolu muundamine alalisvooluks elektrooniliste seadmete, näiteks dioodalaldi abil.

Erinevalt kõige lihtsamast konstruktsioonist kasutavad kaasaegsed generaatorid trummelankruid, mis reeglina koosnevad suur hulk pöördeid, mis asuvad südamiku pikisuunalistes piludes ja on ühendatud mitmekordsete vastavate segmentidega lüliti.

Armatuuritrumliga kasutatav mitmesegmendiline kollektor ühendab välise vooluahela alati ainult juhtme keerdudega, mis liiguvad läbi maksimaalse magnetvälja intensiivsuse tsooni. Selle töö tulemusena on armatuuri mähistes tekkiv vool peaaegu konstantne. Need generaatorid on tavaliselt varustatud nelja või enama elektromagnetilise poolusega, et suurendada magnetvälja suurust ja tugevust.

Suured dünamo on leidnud oma rakenduse tänapäeva maailmas tuuleturbiinide või hüdroturbiinide komponentidena ümberpööratava masina kasutamine elektritranspordis ja nendes tööstusharudes, kus nende kasutamine on tehnoloogiliselt alternatiivi pole. Nende suhteliselt keeruline konstruktsioon ja ka vahelduvvoolu sobivus transportimiseks tõid kaasa asjaolu, et et alalisvoolu generaatorid on alates leiutisest välja tõrjutud säästlikumate asünkroonsete seadmeid.