Dynamo: zasada działania generatora prądu stałego, cechy urządzenia, rola twornika i kolektora

Dynama są podobne do urządzeń na prąd przemienny, ponieważ przetwarzają energię mechaniczną elektryka wymaga tych samych elementów: stojana (część nieruchoma) i twornika generatora (obrotowego) element). Te same elementy konstrukcyjne mają również zastosowanie do stworzenia silnika prądu stałego. Dlatego, ze względu na ich całkowitą odwracalność bez żadnych zmian, takie generatory nazywane są maszynami prądu stałego.

Historia i ewolucja

Dynamo były pierwszymi maszynami elektrycznymi zdolnymi do wytwarzania energii dla przemysłu i fundamentem, na którym zaprojektowano wiele innych obrotowych urządzeń do przetwarzania energii mechanicznej i elektrycznej, m.in.: silnik elektryczny. Teorię działania generatorów elektromagnetycznych stworzył Michael Faraday w 1832 roku.

Zbudował także pierwsze urządzenie znane jako dysk Faradaya. To urządzenie wytwarzało niskie napięcie prądu stałego, do produkcji którego wykorzystano obrót miedzianego dysku między biegunami magnesu podkowiastego. Generator jednobiegunowy stworzony przez Faradaya do celów demonstracyjnych całkowicie nie nadawał się do praktycznego zastosowania,

ponieważ miał dwie poważne wady:

1. Prąd indukowany bezpośrednio w obszarze działania magnesu został samozamknięty w pozostałych częściach dysku, w połączenie, z którym generowana energia elektryczna wykonywała głównie pracę ogrzewania obracającej się miedzi płótna.
2. Napięcie generowane przez urządzenie było niezwykle niskie ze względu na jednorodność przewodnika przechodzącego przez strumień magnetyczny.

Problemy te można rozwiązać, zwiększając liczbę magnesów na obwodzie i stosując cewki z uzwojeniami zamiast dysku. Podobny schemat stał się charakterystyczny dla wszystkich kolejnych konstrukcji maszyn dynamo. Z dalszej historii rozwoju generatorów można wyróżnić następujące daty:

• 1832 g. - francuski producent instrumentów Pixie zbudował pierwsze dynamo oparte na zasadach Faradaya;
• 1860 g. - włoski profesor fizyki Pacinotti stworzył generator niemal współczesnego typu;
• 1866-1867 - Niezależnie od siebie Whitson, Siemens i Varley uzyskali patenty na prądnice samowzbudne;
• 1871 g. - Belgijski Gramm, na podstawie projektu Pacinottiego, stworzył pierwszy komercyjny generator dla przemysłu.

Najprostsza maszyna elektryczna

Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya zmiana strumienia magnetycznego na zwoju drutu wytworzy siłę magnetyczną, która spowoduje ruch elektronów w przewodniku. To wytwarza prąd elektryczny w cewce. Zjawisko to nazywane jest indukcją elektromagnetyczną, służy jako podstawa do projektowania maszyn elektrycznych. Krótko zasady generatora prądu stałego są następujące:

1. Siła magnetyczna przyłożona do elektronów wytwarza siłę elektromotoryczną, która wprawia elektrony w ruch w obwodzie.
2. Siła i kierunek tego pola elektromagnetycznego są określone przez siłę i kierunek pola magnetycznego, a także prędkość ruchomej części, która może być zarówno przewodnikiem, jak i magnesem.

Zasadniczo wszystkie generatory elektryczne działają na tej samej zasadzie, niezależnie od tego, czy wytwarzają prąd przemienny czy stały. W uzwojeniach twornika maszyn dynamo w rzeczywistości indukowany jest prąd przemienny, który jest przekształcany w prąd stały za pomocą kolektora i szczotki.

Wygodnie jest rozpatrzyć działanie tej klasy urządzeń na przykładzie prostego generatora, wyposażonego dodatkowo w przełącznik do prostowania prądu. Dobrym modelem ilustracyjnym do zrozumienia procesów zachodzących w prądnicy może być obracająca się cewka prostokątnego przewodnika umieszczona pomiędzy dwoma przeciwległymi biegunami magnesu.

Przy pełnym obrocie takiej ramy zostanie w niej zaindukowany prąd elektryczny krążący przez pętlę. Jej kierunek można określić za pomocą zasady prawej ręki Fleminga, która mówi, że jeśli ustawisz rękę tak, aby dłoń weszła w strumień magnetyczny i skieruj zgięty kciuk w kierunku ruchu przewodnika, następnie palec wskazujący wskaże kierunek obecny. W tym przypadku, aby zrozumieć procesy w najprostszym generatorze wygodnie będzie rozróżnić cztery pozycje pętli względem magnesu:

• 0 ° - cewka porusza się równolegle do kierunku prądu magnetycznego, więc nie indukuje się różnica potencjałów;
• 90 ° - różnica potencjałów jest maksymalna;
• 180 ° - skręt jest ponownie równoległy do ​​pola magnetycznego;
• 270 ° - indukowane jest maksymalne pole elektromagnetyczne, ale w przeciwnym kierunku;
• 360 ° - powrót do punktu wyjścia.

Kształt zmiennego wyjściowego sygnału elektrycznego można traktować jako sinusoidę. Za pomocą kolektora połączenie szczotek z cewką jest odwracane co pół cyklu. Z tego powodu prąd w obwodzie zewnętrznym generatora porusza się w jednym kierunku.

Uzwojenia wzbudzenia

Generator prądu stałego ma potencjał do zastosowania tylko w małych maszynach elektrycznych. Przede wszystkim dlatego, że w przypadku urządzeń małej mocy dopuszczalne jest stosowanie magnesów trwałych. W innych przypadkach tylko solenoidy - cewki z rdzeniem - lub uzwojenia wzbudzenia mogą wytwarzać strumień magnetyczny o wystarczającej sile. Według rodzaju jedzenia, które jedzą generatory można podzielić na następujące klasy:

• z niezależnym podnieceniem;
• podekscytowany.

Do pierwszej operacji wymagane jest pomocnicze źródło prądu. Jest to główna wada tego typu maszyn, dlatego ich zastosowanie jest ograniczone. W generatorach z niezależnym wzbudzeniem uzwojenia są zasilane z twornika. Maszyny elektryczne ułożone według tego schematu, dzielą się z kolei na trzy typy:

• bocznik (z równoległym wzbudzeniem);
• serial (z serialem);
• generatory złożone (z równoległymi i szeregowymi cewkami wzbudzającymi).

Nowoczesne dynamo

Jedną z cech generatorów kolektorów jest ograniczenie ich napięcia. Wynika to z konieczności unikania iskrzenia między szczotkami a kolektorem. Dlatego w niektórych maszynach konwersja prądu przemiennego na prąd stały odbywa się za pomocą urządzeń elektronicznych, na przykład prostowników diodowych.

W przeciwieństwie do najprostszej konstrukcji, nowoczesne generatory wykorzystują zwory bębnowe, które z reguły składają się z duża liczba zwojów znajdujących się w podłużnych szczelinach rdzenia i połączonych z odpowiednimi segmentami wielokrotności przełącznik.

Wielosegmentowy kolektor stosowany z bębnem twornika zawsze łączy obwód zewnętrzny tylko z zwojami drutu poruszającymi się w strefie maksymalnego natężenia pola magnetycznego. W wyniku tej pracy prąd generowany w uzwojeniach twornika jest prawie stały. Generatory te są zwykle wyposażone w cztery lub więcej biegunów elektromagnetycznych w celu zwiększenia wielkości i siły pola magnetycznego.

Duże dynama znalazły swoje zastosowanie we współczesnym świecie jako elementy turbin wiatrowych lub turbin wodnych, jak maszyny rewersyjnej w transporcie elektrycznym oraz w tych dziedzinach przemysłu, gdzie ich zastosowanie ma charakter technologiczny nie ma alternatywy. Ich stosunkowo skomplikowana konstrukcja, a także przydatność prądu przemiennego do transportu spowodowały, że że generatory prądu stałego zostały od czasu wynalezienia wyparte przez bardziej ekonomiczne asynchroniczne urządzenia.