Dynamo: princíp činnosti generátora jednosmerného prúdu, vlastnosti zariadenia, úloha kotvy a kolektora

Dynamá sú podobné zariadeniam na striedavý prúd v tom, že premieňajú mechanickú energiu elektrika vyžaduje rovnaké komponenty: stator (stacionárna časť) a kotva generátora (rotujúca element). Rovnaké konštrukčné prvky sú použiteľné aj na vytvorenie jednosmerného motora. Preto sa takéto generátory kvôli ich úplnej reverzibilite bez akýchkoľvek zmien nazývajú jednosmerné stroje.

História a vývoj

Dynamá boli prvými elektrickými strojmi schopnými vyrábať energiu pre priemysel a na ktorých základe bolo navrhnutých mnoho ďalších rotačných zariadení na premenu mechanickej a elektrickej energie, vrátane elektrický motor. Teóriu fungovania elektromagnetických generátorov vytvoril Michael Faraday v roku 1832.

Zostrojil tiež prvé zariadenie známe ako Faradayov disk. Toto zariadenie vytváralo nízke jednosmerné napätie, na výrobu ktorého bolo použité otáčanie medeného kotúča medzi pólmi podkovovitého magnetu. Unipolárny generátor vytvorený Faradayom na demonštračné účely bol pre praktické použitie úplne nevhodný,

pretože to malo dve vážne nevýhody:

1. Prúd indukovaný priamo v oblasti pôsobenia magnetu sa vo zvyšných častiach disku samouzatvoril, v r. spojenie, s ktorým vyrábaná elektrina vykonávala hlavne prácu pri zahrievaní rotujúcej medi plátna.
2. Napätie generované zariadením bolo extrémne nízke v dôsledku jednoduchého vodiča prechádzajúceho magnetickým tokom.

Tieto problémy by sa dali vyriešiť zvýšením počtu magnetov po obvode a použitím cievok s vinutím namiesto disku. Podobná schéma sa stala charakteristickou pre všetky nasledujúce konštrukcie dynamostrojov. Z ďalšej histórie vývoja generátorov možno rozlíšiť tieto dátumy:

• 1832 g. - Francúzsky výrobca nástrojov Pixie postavil prvé dynamo založené na Faradayových princípoch;
• 1860 g. - taliansky profesor fyziky Pacinotti vytvoril generátor takmer moderného typu;
• 1866-1867 - Nezávisle od seba získali Whitson, Siemens a Varley patenty na dynamá s vlastným budením;
• 1871 g. - Belgický Gramm na základe Pacinottiho návrhu vytvoril prvý komerčný generátor pre priemysel.

Najjednoduchší elektrický stroj

Podľa Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie zmena magnetického toku pri otáčaní drôtu vytvorí magnetickú silu, ktorá spôsobí pohyb elektrónov vo vodiči. To vytvára elektrický prúd v cievke. Tento jav sa nazýva elektromagnetická indukcia, slúži ako základ pre konštrukciu elektrických strojov. Stručne princípy DC generátora sú nasledovné:

1. Magnetická sila pôsobiaca na elektróny vytvára elektromotorickú silu, ktorá uvádza elektróny do pohybu v obvode.
2. Sila a smer tohto EMF je určený silou a smerom magnetického poľa, ako aj rýchlosťou pohyblivej časti, ktorou môže byť vodič aj magnet.

V podstate všetky elektrické generátory fungujú na rovnakom princípe bez ohľadu na to, či vyrábajú striedavý alebo jednosmerný prúd. Vo vinutiach kotvy dynamo strojov sa v skutočnosti indukuje striedavý prúd, ktorý sa pomocou zberača a kefovej jednotky mení na jednosmerný prúd.

Je vhodné zvážiť prevádzku tejto triedy zariadení na príklade jednoduchého generátora, navyše vybaveného spínačom na usmernenie prúdu. Dobrým názorným modelom na pochopenie procesov prebiehajúcich v dyname môže byť rotujúca cievka obdĺžnikového vodiča umiestnená medzi dvoma protiľahlými pólmi magnetu.

Pri plnej otáčke takéhoto rámu sa v ňom indukuje elektrický prúd, ktorý cirkuluje cez slučku. Jeho smer sa dá určiť pomocou Flemingovho pravidla pravej ruky, ktoré hovorí, že ak si tak postavíte ruku dlaň vstúpila do magnetického toku a nasmerujte ohnutý palec v smere pohybu vodiča, potom ukazovák ukáže smer prúd. V tomto prípade pochopiť procesy v najjednoduchšom generátore bude vhodné rozlíšiť štyri polohy slučky vzhľadom na magnet:

• 0 ° - cievka sa pohybuje rovnobežne so smerom magnetického prúdu, takže sa neindukuje žiadny potenciálny rozdiel;
• 90 ° - potenciálny rozdiel je maximálny;
• 180 ° - obrat je opäť rovnobežný s magnetickým poľom;
• 270 ° - indukuje sa maximálne EMF, ale v opačnom smere;
• 360 ° - návrat do východiskového bodu.

Tvar premenlivého výstupného elektrického signálu si možno predstaviť ako sínusoidu. Pomocou zberača sa spojenie kief s cievkou obráti každý pol cyklus. Vďaka tomu sa prúd vo vonkajšom obvode generátora pohybuje jedným smerom.

Budiace vinutia

Generátor jednosmerného prúdu má potenciál na použitie len v malých elektrických strojoch. Po prvé, pretože pre zariadenia s nízkym výkonom je povolené použitie permanentných magnetov. V iných prípadoch môžu vytvoriť magnetický tok dostatočnej sily iba solenoidy - cievky s jadrom - alebo budiace vinutia. Podľa druhu jedla, ktoré jedia generátory možno rozdeliť do nasledujúcich tried:

• s nezávislým vzrušením;
• sebavzrušený.

Pre prvú operáciu je potrebný pomocný zdroj prúdu. Toto je hlavná nevýhoda tohto typu strojov, preto je ich použitie obmedzené. V generátoroch s nezávislým budením sú vinutia napájané z kotvy. Elektrické stroje usporiadané podľa tejto schémy, sú rozdelené do troch typov:

• skrat (s paralelným budením);
• sériový (so sériovým);
• zložené generátory (s paralelnými a sériovými budiacimi cievkami).

Moderné dynamá

Jednou z vlastností kolektorových generátorov je ich obmedzenie napätia. Je to kvôli potrebe vyhnúť sa iskreniu medzi kefami a zberačom. Preto sa v niektorých strojoch premena striedavého prúdu na jednosmerný prúd uskutočňuje pomocou elektronických zariadení, napríklad diódových usmerňovačov.

Na rozdiel od najjednoduchšieho dizajnu moderné generátory používajú bubnové armatúry, ktoré sa spravidla skladajú z veľký počet závitov umiestnených v pozdĺžnych štrbinách jadra a pripojených k zodpovedajúcim segmentom násobku prepínač.

Viacsegmentový kolektor použitý s bubnom kotvy pripája vonkajší obvod vždy len k závitom drôtu pohybujúcim sa zónou maximálnej intenzity magnetického poľa. V dôsledku tejto práce je prúd generovaný vo vinutiach kotvy takmer konštantný. Tieto generátory sú zvyčajne vybavené štyrmi alebo viacerými elektromagnetickými pólmi, aby sa zväčšila veľkosť a intenzita magnetického poľa.

Veľké dynamá našli svoje uplatnenie v modernom svete ako komponenty veterných turbín alebo vodných turbín, as vratného stroja v elektrickej doprave a v tých oblastiach priemyslu, kde je ich využitie technologicky žiadna alternatíva. Ich pomerne zložitý dizajn, ako aj vhodnosť striedavého prúdu na prepravu viedli k tomu, že že DC generátory boli od vynálezu nahradené ekonomickejšími asynchrónnymi zariadení.