Динамо схожи с устройствами, производящими переменный ток, в том, что для преобразования механической энергии в электрическую требуются те же компоненты: статор (неподвижная часть) и якорь генератора (вращающийся элемент). Эти же конструктивные элементы применимы также и для создания двигателя постоянного тока. Поэтому из-за полной обратимости без каких-либо изменений такие генераторы называют машинами постоянного тока.
История и эволюция
Динамо были первыми электрическими машинами, способными производить энергию для промышленности, а также тем фундаментом, на базе которого были сконструированы многие другие роторные устройства преобразования механической и электрической мощности, в том числе и электродвигатель. Теория работы электромагнитных генераторов была создана Майклом Фарадеем в 1832 году.
Он же и построил первое устройство, известное как диск Фарадея. Этот прибор создавал невысокое напряжение постоянного тока, для производства которого использовалось вращение медного диска между полюсами подковообразного магнита. Униполярный генератор, созданный Фарадеем в демонстрационных целях, был совершенно непригоден для практического применения, так как обладал двумя серьёзными недостатками:
- Индуцированный непосредственно в зоне действия магнита ток самозамыкался на остальных участках диска, в связи с чем сгенерированное электричество в основном совершало работу по нагреву вращающегося медного полотна.
- Напряжение, создаваемое устройством, было крайне низким из-за единичности проводника, проходящего через магнитный поток.
Решить эти проблемы можно было с помощью увеличения количества магнитов по периметру и использования вместо диска катушек с обмотками. Подобная схема стала характерной для всех последующих конструкций динамо-машин. Из дальнейшей истории развития генераторов можно выделить такие даты:
1832 г. — французский производитель инструмента Пикси построил первое динамо на основе принципов Фарадея;- 1860 г. — итальянский профессор физики Пачинотти создал генератор практически современного типа;
- 1866−1867 гг. — независимо друг от друга Уитсон, Сименс и Варли получили патенты на динамо-машины с самовозбуждением;
- 1871 г. — бельгиец Грамм на основе конструкции Пачинотти создал первый коммерческий генератор для промышленности.
Простейшая электрическая машина
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока на витке провода будет производить магнитную силу, заставляющую двигаться электроны в проводнике. Таким образом в катушке создаётся электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией, оно служит фундаментом устройства электрических машин. Кратко принципы действия генератора постоянного тока выглядят так:
- Магнитная сила, приложенная к электронам, создаёт электродвижущую силу, что приводит в движение электроны в цепи.
- Сила и направление этой ЭДС определяется силой и направлением магнитного поля, а также скоростью подвижной части, которой может быть как проводник, так и магнит.
По сути, все электрические генераторы работают по одному и тому же принципу, независимо от того, производят они переменный или постоянный ток. В обмотках якоря динамо-машин, на самом деле, индуцируется переменный ток, который с помощью коллектора и щёточного узла преобразуется в постоянный.
Работу этого класса устройств удобно рассматривать на примере простейшего генератора, дополнительно оборудованного коммутатором для выпрямления тока. Хорошей иллюстративной моделью для понимания процессов, происходящих в динамо, может быть вращающийся виток проводника прямоугольной формы, помещённый между двумя противоположными полюсами магнита.
При полном обороте такой рамы в ней будет индуцироваться электрический ток, циркулирующий через петлю. Направление его можно определить с помощью правила правой руки Флеминга, гласящего о том, что, если расположить руку так, чтобы в ладонь входил магнитный поток, а отогнутый большой палец направить в сторону движения проводника, то указательный обозначит направление тока. В этом случае для понимания процессов в простейшем генераторе удобно будет выделить четыре положения петли относительно магнита:
- 0° — виток движется параллельно направлению магнитного тока, поэтому никакой разницы потенциалов не индуцируется;
- 90° — разность потенциалов максимальна;
- 180° — виток снова находится параллельно магнитному полю;
- 270° — индуцируется максимальная ЭДС, но в обратном направлении;
- 360° — возвращение в исходную точку.
Форму переменного выходного электрического сигнала можно рассматривать как синусоиду. С помощью коллектора соединение щёток с витком меняется на противоположное каждые полцикла. Благодаря этому ток во внешней цепи генератора движется в одном направлении.
Обмотки возбуждения
Устройство генератора постоянного тока имеет потенциал применения только в небольших электрических машинах. Прежде всего потому, что для устройств малой мощности допустимо применение постоянных магнитов. В остальных случаях магнитный поток достаточной силы способны создать только соленоиды — катушки с сердечником — или обмотки возбуждения. По типу их питания генераторы можно разделить на следующие классы:
с независимым возбуждением;- с самовозбуждением.
Для работы первых необходим вспомогательный источник тока. Это главный недостаток такого типа машин, поэтому их применение ограничено. В генераторах с независимым возбуждением обмотки запитываются от якоря. Электрические машины, устроенные по такой схеме, делятся в свою очередь на три вида:
- шунтовые (с параллельным возбуждением);
- сериесные (с последовательным);
- компаунд-генераторы (с параллельными и последовательными катушками возбуждения).
Современные динамо-машины
Одной из особенностей коллекторных генераторов является ограничение их применения по напряжению. Это связано с необходимостью избегать искрения между щётками и коллектором. Поэтому в некоторых машинах обращение переменного тока в постоянный осуществляется с помощью электронных устройств, например, диодных выпрямителей.
В отличие от простейшей конструкции, в современных генераторах используют барабанные якоря, которые, как правило, состоят из большого числа витков, размещённых в продольных прорезях сердечника и соединённых с соответствующими сегментами кратного коммутатора.
Коллектор из множества сегментов, используемый с барабанным якорем, всегда соединяет внешнюю цепь только с витками провода, движущимися через зону максимальной интенсивности магнитного поля. В результате такой работы ток, генерируемый в обмотках якоря, практически близок к постоянному. Подобные генераторы, как правило, оснащены четырьмя или более электромагнитными полюсами для того, чтобы увеличить размеры и силу магнитного поля.
Большие динамо-машины нашли своё применение в современном мире как компоненты ветряков или гидротурбин, в качестве обращаемой машины на электротранспорте и в тех сферах промышленности, где технологически их использование безальтернативно. Их сравнительно сложное устройство, а также пригодность переменного тока к транспортировке привели к тому, что генераторы постоянного тока с момента изобретения были вытеснены более экономичными асинхронными устройствами.
