דינמו: עקרון הפעולה של גנרטור DC, תכונות המכשיר, תפקיד האבזור והאספן

דינמות דומות להתקני זרם חילופין בכך שהן ממירות אנרגיה מכנית החשמל דורש את אותם רכיבים: הסטטור (חלק נייח) ואבזור הגנרטור (מסתובב אֵלֵמֶנט). אותם אלמנטים מבניים ישימים גם ליצירת מנוע DC. לכן, בשל הפיכותם המלאה ללא כל שינויים, גנרטורים כאלה נקראים מכונות DC.

היסטוריה ואבולוציה

דינמות היו המכונות החשמליות הראשונות המסוגלות לייצר אנרגיה לתעשייה, והבסיס עליהן תוכננו מכשירים סיבוביים רבים אחרים להמרת כוח מכני וחשמלי, כולל מנוע חשמלי. תורת הפעולה של גנרטורים אלקטרומגנטיים נוצרה על ידי מייקל פאראדיי בשנת 1832.

הוא גם בנה את המכשיר הראשון הידוע בשם דיסק פאראדיי. מכשיר זה יצר מתח DC נמוך, שלצורך ייצורו נעשה שימוש בסיבוב של דיסק נחושת בין הקטבים של מגנט פרסה. הגנרטור החד-קוטבי שיצר פאראדיי למטרות הדגמה לא מתאים לחלוטין לשימוש מעשי, מכיוון שהיו לו שני חסרונות רציניים:

1. הזרם המושרה ישירות באזור פעולת המגנט נסגר בעצמו בחלקים הנותרים של הדיסק, ב חיבור שאיתו עשה החשמל המופק בעיקר את עבודת חימום הנחושת המסתובבת קנבסים.
2. המתח שנוצר על ידי המכשיר היה נמוך במיוחד בשל חדותו של המוליך העובר דרך השטף המגנטי.

ניתן לפתור בעיות אלו על ידי הגדלת מספר המגנטים סביב ההיקף ושימוש בסלילים עם פיתולים במקום דיסק. תוכנית דומה הפכה אופיינית לכל העיצובים הבאים של מכונות דינמו. מההיסטוריה הנוספת של פיתוח גנרטורים ניתן להבחין בתאריכים הבאים:

• 1832 גרם. - יצרנית הכלים הצרפתית Pixie בנתה את הדינמו הראשון על בסיס עקרונות פאראדיי;
• 1860 גרם. - הפרופסור האיטלקי לפיזיקה פצ'ינוטי יצר מחולל מסוג כמעט מודרני;
• 1866-1867 - ללא תלות זה בזה, Whitson, Simens ו-Varley השיגו פטנטים על דינמות מתרגשות;
• 1871 גרם. - גראם בלגי, המבוסס על העיצוב של פאצ'ינוטי, יצר את הגנרטור המסחרי הראשון לתעשייה.

המכונה החשמלית הפשוטה ביותר

על פי חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית של פאראדיי, שינוי בשטף המגנטי בסיבוב של חוט ייצור כוח מגנטי הגורם לאלקטרונים לנוע במוליך. זה יוצר זרם חשמלי בסליל. תופעה זו נקראת אינדוקציה אלקטרומגנטית, היא משמשת כבסיס לתכנון של מכונות חשמליות. בקצרה העקרונות של מחולל DC הם כדלקמן:

1. הכוח המגנטי המופעל על האלקטרונים יוצר כוח אלקטרו-מוטורי, אשר מניע את האלקטרונים במעגל.
2. החוזק והכיוון של EMF זה נקבעים על ידי חוזק וכיוון השדה המגנטי, כמו גם מהירות החלק הנע, שיכול להיות גם מוליך וגם מגנט.

בעיקרו של דבר, כל הגנרטורים החשמליים פועלים על אותו עיקרון, ללא קשר אם הם מייצרים זרם AC או DC. בפיתולי האבזור של דינמות, למעשה, מושרה זרם חילופין, המומר לזרם ישר בעזרת אספן ויחידת מברשת.

זה נוח לשקול את הפעולה של סוג זה של מכשירים באמצעות דוגמה של גנרטור פשוט, מצויד בנוסף עם מתג לתיקון הנוכחי. מודל המחשה טוב להבנת התהליכים המתרחשים בדינמו יכול להיות סליל מסתובב של מוליך מלבני הממוקם בין שני קטבים מנוגדים של מגנט.

עם מהפכה מלאה של מסגרת כזו, יושרה בה זרם חשמלי שיסתובב דרך הלולאה. ניתן לקבוע את הכיוון שלו באמצעות כלל יד ימין של פלמינג, הקובע שאם אתה ממקם את ידך כך כף היד נכנסה לשטף המגנטי, ומכוונת את האגודל הכפוף לכיוון תנועת המוליך, ואז האצבע המורה תציין את הכיוון נוֹכְחִי. במקרה זה, להבין את התהליכים במחולל הפשוט ביותר זה יהיה נוח להבחין בארבעה מיקומים של הלולאה ביחס למגנט:

• 0 ° - הסליל נע במקביל לכיוון הזרם המגנטי, כך שלא נוצר הבדל פוטנציאלי;
• 90 ° - הפרש הפוטנציאל הוא מקסימלי;
• 180 מעלות - הסיבוב שוב מקביל לשדה המגנטי;
• 270 מעלות - EMF מרבי מושרה, אך בכיוון ההפוך;
• 360 מעלות - חזרה לנקודת ההתחלה.

ניתן לחשוב על צורת האות החשמלי של הפלט המשתנה כסינוסואיד. בעזרת הקולט, חיבור המברשות עם הסליל מתהפך בכל חצי מחזור. בשל כך, הזרם במעגל החיצוני של הגנרטור נע בכיוון אחד.

פיתולי עירור

להתקן מחולל DC יש פוטנציאל לשימוש רק במכונות חשמליות קטנות. קודם כל, כי עבור מכשירים בעלי הספק נמוך, השימוש במגנטים קבועים מותר. במקרים אחרים, רק סולנואידים - סלילים עם ליבה - או פיתולי עירור יכולים ליצור שטף מגנטי בעל חוזק מספיק. לפי סוג האוכל שהם אוכלים ניתן לחלק את המחוללים למחלקות הבאות:

• בהתרגשות עצמאית;
• מתרגש מעצמו.

עבור הפעולה הראשונה, יש צורך במקור זרם עזר. זהו החיסרון העיקרי של מכונה מסוג זה, ולכן השימוש בהן מוגבל. בגנרטורים עם עירור עצמאי, הפיתולים מופעלים מהאבזור. מכונות חשמליות המסודרות לפי תכנית זו, מתחלקים בתורם לשלושה סוגים:

• shunt (עם עירור מקביל);
• סדרתי (עם סדרתי);
• גנרטורים מורכבים (עם סלילי עירור מקבילים וסדרתיים).

דינמות מודרניות

אחת התכונות של גנרטורים אספנים היא הגבלת המתח שלהם. הדבר נובע מהצורך להימנע מניצוץ בין המברשות לאספן. לכן, במכונות מסוימות, ההמרה של זרם חילופין לזרם ישר מתבצעת באמצעות מכשירים אלקטרוניים, למשל מיישרי דיודות.

שלא כמו העיצוב הפשוט ביותר, גנרטורים מודרניים משתמשים באבזור תוף, אשר, ככלל, מורכב מהם מספר רב של סיבובים הממוקמים בחריצים האורכיים של הליבה ומחוברים למקטעים המתאימים של המרובה החלף.

האספן הרב-מקטע המשמש עם תוף האבזור תמיד מחבר את המעגל החיצוני רק לסיבובי החוט הנעים באזור של עוצמת השדה המגנטי המקסימלית. כתוצאה מעבודה זו, הזרם הנוצר בפיתולי האבזור כמעט קבוע. גנרטורים אלו מצוידים בדרך כלל בארבעה או יותר קטבים אלקטרומגנטיים על מנת להגדיל את גודל וחוזק השדה המגנטי.

דינמות גדולות מצאו את היישום שלהם בעולם המודרני כרכיבים של טורבינות רוח או טורבינות הידרו, כמו של מכונה הפיכה בהובלה חשמלית ובאותם תחומי תעשייה שהשימוש בהם הוא טכנולוגי אין חלופה. העיצוב המורכב יחסית שלהם, כמו גם התאמתו של זרם חילופין לתחבורה, הובילו לכך ש שגנרטורים DC הוחלפו מאז ההמצאה בא-סינכרוני חסכוני יותר מכשירים.