Динамо-машина — электрический генератор , создающий постоянный ток с помощью коммутатора . Динамо-машины были первыми электрическими генераторами, способными поставлять электроэнергию для промышленности, и основой, на которой были основаны многие другие более поздние устройства преобразования электроэнергии , включая электродвигатель , генератор переменного тока и роторный преобразователь .
Сегодня более простой генератор переменного тока доминирует в крупномасштабной выработке электроэнергии по соображениям эффективности, надежности и стоимости. Динамо-машина имеет недостатки механического коммутатора . Кроме того, преобразование переменного тока в постоянный с использованием выпрямителей (например, электронных ламп или, в последнее время, с помощью твердотельных технологий) эффективно и обычно экономично.
Принцип действия электромагнитных генераторов был открыт в 1831–1832 годах Майклом Фарадеем . Принцип, позже названный законом Фарадея , заключается в том, что электродвижущая сила генерируется в электрическом проводнике, окружающем переменный магнитный поток .
Он также построил первый электромагнитный генератор, названный диском Фарадея , тип униполярного генератора , использующий медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита . Он производил небольшое постоянное напряжение . Это не была динамо-машина в нынешнем понимании, поскольку в ней не использовался коммутатор .
Эта конструкция была неэффективной из-за самогасящихся противотоков тока в областях диска, не находящихся под действием магнитного поля. Хотя ток индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал в обратном направлении в областях, находящихся вне влияния магнитного поля. Этот противоток ограничивал выходную мощность на провода датчика и вызывал ненужный нагрев медного диска. Более поздние униполярные генераторы решили эту проблему, используя массив магнитов, расположенных по периметру диска для поддержания постоянного эффекта поля в одном направлении тока.
Другим недостатком было то, что выходное напряжение было очень низким из-за единственного пути тока через магнитный поток. Фарадей и другие обнаружили, что более высокие и более полезные напряжения можно получить, намотав несколько витков провода в катушку. Проволочные обмотки могут удобно производить любое желаемое напряжение, изменяя количество витков, поэтому они были особенностью всех последующих конструкций генераторов, что потребовало изобретения коммутатора для производства постоянного тока.
Первая коммутируемая динамо-машина была построена в 1832 году Ипполитом Пикси , французским производителем инструментов. В нем использовался постоянный магнит , который вращался рукояткой. Вращающийся магнит располагался так, чтобы его северный и южный полюса проходили мимо куска железа, обмотанного изолированным проводом.
Пикси обнаружил, что вращающийся магнит создает импульс тока в проводе каждый раз, когда полюс проходит мимо катушки. Однако северный и южный полюса магнита индуцировали токи в противоположных направлениях. Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, Пикси изобрел коммутатор — разделенный на валу металлический цилиндр с двумя пружинящими металлическими контактами, которые прижимались к нему.
У этой ранней конструкции была проблема: производимый ею электрический ток состоял из серии «всплесков» или импульсов тока, между которыми вообще не было разделения, что приводило к низкой средней выходной мощности. Как и в случае с электродвигателями того времени, конструкторы не до конца осознавали серьезное вредное воздействие больших воздушных зазоров в магнитной цепи.
Антонио Пачинотти , итальянский профессор физики, решил эту проблему около 1860 года, заменив вращающуюся двухполюсную осевую катушку на многополюсную тороидальную , которую он создал, намотав железное кольцо непрерывной обмоткой, соединенной с коммутатором во многих одинаково разнесенные точки по кольцу; коммутатор разделен на множество сегментов. Это означало, что какая-то часть катушки постоянно проходила мимо магнитов, сглаживая ток. [1]
Электрический генератор Вулрича 1844 года, который сейчас находится в аналитическом центре Бирмингемского музея науки , является первым электрическим генератором, используемым в промышленных процессах. [2] Он использовался фирмой Элкингтонс для коммерческой гальваники . [3] [4] [5]
.jpg/1280px-Thinktank_Birmingham_-_object_1889S00044(1).jpg)
В 1827 году, независимо от Фарадея, венгерский изобретатель Аньос Едлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он назвал электромагнитными самороторами . В прототипе однополюсного электростартера как неподвижная, так и вращающаяся части были электромагнитными.
Примерно в 1856 году, за шесть лет до Сименса и Уитстона , Аньос сформулировал концепцию динамо-машины, но не запатентовал ее, поскольку считал, что он не первый, кто реализовал эту идею. Вместо постоянных магнитов в его динамо-машине использовались два электромагнита, расположенные напротив друг друга, чтобы индуцировать магнитное поле вокруг ротора. [6] [7] Это было также открытие принципа самовозбуждения динамо-машины , [8] который заменил конструкции с постоянными магнитами.
Динамо-машина была первым электрическим генератором, способным обеспечивать электроэнергией промышленность. Современная динамо-машина, пригодная для использования в промышленности, была изобретена независимо сэром Чарльзом Уитстоном , Вернером фон Сименсом и Сэмюэлем Альфредом Варли . Варли получил патент 24 декабря 1866 года, а Сименс и Уитстон объявили о своих открытиях 17 января 1867 года, причем последний представил доклад о своем открытии Королевскому обществу .
В «динамо-электрической машине» для создания поля статора использовались автономные катушки электромагнитного поля, а не постоянные магниты. [ нужна цитация ] Конструкция Уитстона была похожа на конструкцию Сименса, с той разницей, что в конструкции Сименса электромагниты статора были включены последовательно с ротором, а в конструкции Уитстона они были параллельны. [9] Использование электромагнитов, а не постоянных магнитов, значительно увеличило выходную мощность динамо-машины и впервые позволило вырабатывать высокую мощность. Это изобретение привело непосредственно к первому крупному промышленному использованию электричества. Например, в 1870-х годах Сименс использовал электромагнитные динамо-машины для питания электродуговых печей для производства металлов и других материалов.
Разработанная динамо-машина состояла из стационарной конструкции, создающей магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, вращающихся внутри этого поля. В более крупных машинах постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, которые обычно называются катушками возбуждения.
Зеноб Грамм заново изобрел конструкцию Пачинотти в 1871 году при проектировании первых коммерческих электростанций, действовавших в Париже . Преимуществом конструкции Грамма был лучший путь прохождения магнитного потока за счет заполнения пространства, занимаемого магнитным полем, тяжелыми железными сердечниками и минимизации воздушных зазоров между неподвижными и вращающимися частями. Динамо -машина Gramme была одной из первых машин, производивших коммерческое количество электроэнергии для промышленности. [10] В кольцо Грамма были внесены дальнейшие усовершенствования, но основная концепция вращающейся бесконечной проволочной петли остается в основе всех современных динамо-машин. [11]
Чарльз Ф. Браш собрал свою первую динамо-машину летом 1876 года, используя в качестве привода беговую дорожку, запряженную лошадьми. Конструкция Браша модифицировала динамо-машину Gramme , придав кольцевому якорю форму диска, а не цилиндра. Полевые электромагниты также располагались по бокам диска якоря, а не по окружности. [12] [13]
После того, как было обнаружено, что динамо-машины и двигатели позволяют легко преобразовывать механическую или электрическую энергию туда и обратно, их объединили в устройства, называемые ротационными преобразователями , вращающимися машинами, целью которых было не передавать механическую энергию нагрузкам, а преобразовывать один тип электрического тока в другой. , например постоянный ток в переменный ток . Это были многопольные однороторные устройства с двумя или более наборами вращающихся контактов (либо коммутаторами, либо токосъемниками, в зависимости от необходимости), один для подачи питания на один набор обмоток якоря для вращения устройства, а другой или несколько прикрепленных к другим обмоткам. для создания выходного тока.
Ротационный преобразователь может напрямую преобразовывать любой тип электроэнергии в любой другой. Сюда входит преобразование между постоянным током (DC) и переменным током (AC), трехфазной и однофазной мощностью, переменным током 25 Гц и переменным током 60 Гц или множеством различных выходных напряжений одновременно. Размер и масса ротора были сделаны большими, чтобы ротор действовал как маховик и помогал сглаживать любые внезапные скачки или падения приложенной мощности.
Технология ротационных преобразователей была заменена в начале 20 века ртутными выпрямителями , которые были меньше по размеру, не производили вибрации и шума и требовали меньшего обслуживания. Те же задачи преобразования теперь выполняют твердотельные силовые полупроводниковые устройства . Ротационные преобразователи продолжали использоваться в метро West Side IRT на Манхэттене до конца 1960-х годов, а возможно, и несколько лет спустя. Они питались от переменного тока частотой 25 Гц и обеспечивали поезда постоянным током напряжением 600 В.
Машины постоянного тока, такие как динамо-машины и коммутируемые двигатели постоянного тока, имеют более высокие затраты на техническое обслуживание и ограничения по мощности, чем машины переменного тока (AC), из-за использования в них коммутатора . Этими недостатками являются:
Хотя динамо-машины постоянного тока были первым источником электроэнергии для промышленности, их приходилось располагать вблизи заводов, которые использовали их энергию. Электричество можно было экономично распределять на расстояния только в виде переменного тока (AC) за счет использования трансформатора . С переходом электроэнергетических систем на переменный ток в 1890-х годах в 20-м веке динамо-машины были заменены генераторами переменного тока , и в настоящее время они почти устарели.
Слово «динамо» (от греческого слова « dynamis» (δύναμις), означающего силу или мощность) изначально было другим названием электрического генератора и до сих пор в некоторых регионах используется в качестве замены слова «генератор». Это слово было придумано в 1831 году Майклом Фарадеем , который использовал свое изобретение для совершения многих открытий в области электричества (Фарадей открыл электрическую индукцию) и магнетизма . [14] [15]
Первоначальный «принцип динамо» Вернера фон Сименса относился только к генераторам постоянного тока, которые используют исключительно принцип самовозбуждения (самоиндукции) для выработки мощности постоянного тока. Более ранние генераторы постоянного тока, в которых использовались постоянные магниты, не считались «электрическими динамо-машинами». [16] Изобретение принципа динамо (самоиндукции) стало крупным технологическим скачком по сравнению со старыми традиционными генераторами постоянного тока на основе постоянных магнитов. Открытие принципа динамо сделало производство электроэнергии в промышленных масштабах технически и экономически возможным. После изобретения генератора переменного тока и того, что переменный ток можно использовать в качестве источника питания, слово « динамо» стало ассоциироваться исключительно с « коммутируемым электрическим генератором постоянного тока», в то время как электрический генератор переменного тока, использующий либо контактные кольца , либо роторные магниты, стал известен как генератор переменного тока .
Небольшой электрический генератор, встроенный в ступицу велосипедного колеса для питания фонарей, называется динамо-втулкой , хотя это неизменно устройства переменного тока, [ нужна ссылка ] и на самом деле магнето .
Электрическая динамо-машина использует вращающиеся катушки с проволокой и магнитные поля для преобразования механического вращения в пульсирующий постоянный электрический ток согласно закону индукции Фарадея . Динамо-машина состоит из неподвижной конструкции, называемой статором , которая создает постоянное магнитное поле , и набора вращающихся обмоток, называемых якорем , которые вращаются внутри этого поля. Согласно закону индукции Фарадея, движение провода внутри магнитного поля создает электродвижущую силу , которая толкает электроны в металле, создавая электрический ток в проводе. На небольших машинах постоянное магнитное поле может создаваться одним или несколькими постоянными магнитами ; более крупные машины имеют постоянное магнитное поле, создаваемое одним или несколькими электромагнитами , которые обычно называются катушками возбуждения .
Коммутатор необходим для получения постоянного тока . Когда проволочная петля вращается в магнитном поле, магнитный поток через нее – и, следовательно, индуцируемый в ней потенциал – меняется на противоположный с каждым полуоборотом, генерируя переменный ток . Однако на заре электрических экспериментов переменный ток обычно не имел никакого применения. В некоторых случаях использования электричества, таких как гальваника , использовался постоянный ток, обеспечиваемый грязными жидкостными батареями . Динамо-машины были изобретены как замена батареям. Коммутатор по сути представляет собой поворотный переключатель . Он состоит из набора контактов, установленных на валу машины, в сочетании со стационарными контактами из графитового блока, называемыми «щетками», поскольку самыми ранними такими фиксированными контактами были металлические щетки. Коллектор меняет подключение обмоток к внешней цепи при изменении потенциала — так вместо переменного тока вырабатывается пульсирующий постоянный ток.
Самые ранние динамо-машины использовали постоянные магниты для создания магнитного поля. Их называли «магнитоэлектрическими машинами» или магнето . [17] Однако исследователи обнаружили, что более сильные магнитные поля — и, следовательно, большая мощность — могут быть созданы с помощью электромагнитов (катушек возбуждения) на статоре. [18] Их называли «динамо-электрическими машинами» или динамо-машинами. [17] Катушки возбуждения статора первоначально возбуждались отдельно от отдельной, меньшей по размеру динамо-машины или магнето. Важным достижением Уайльда и Сименса стало открытие (к 1866 году), что динамо-машина может также запускаться для самовозбуждения , используя ток, генерируемый самой динамо-машиной. Это позволило создать гораздо более мощное поле и, следовательно, большую выходную мощность.
Динамо-машины постоянного тока с самовозбуждением обычно имеют комбинацию последовательных и параллельных (шунтирующих) обмоток возбуждения, на которые напрямую подается мощность от ротора через коммутатор регенеративным способом. Они запускаются и работают аналогично современным портативным электрогенераторам переменного тока, которые не используются с другими генераторами в электрической сети.
В металлическом корпусе устройства, когда оно не работает, сохраняется слабое остаточное магнитное поле, отпечатавшееся на металле обмотками возбуждения. Динамо-машина начинает вращаться, не будучи подключенной к внешней нагрузке. Остаточное магнитное поле индуцирует очень небольшой электрический ток в обмотках ротора, когда они начинают вращаться. Без внешней нагрузки этот небольшой ток полностью подается на обмотки возбуждения, что в сочетании с остаточным полем заставляет ротор производить больший ток. Таким образом, самовозбуждающаяся динамо-машина создает свои внутренние магнитные поля до тех пор, пока не достигнет нормального рабочего напряжения. Когда он сможет производить достаточный ток для поддержания как своих внутренних полей, так и внешней нагрузки, он готов к использованию.
Самовозбуждающаяся динамо-машина с недостаточным остаточным магнитным полем в металлическом корпусе не сможет производить никакой ток в роторе, независимо от того, с какой скоростью вращается ротор. Такая ситуация может возникнуть и в современных переносных генераторах с самовозбуждением и разрешается для обоих типов генераторов аналогичным образом путем подачи кратковременного заряда аккумулятора постоянным током на выходные клеммы остановленного генератора. Батарея подает напряжение на обмотки ровно настолько, чтобы запечатлеть остаточное поле и обеспечить создание тока. Это называется миганием поля .
Оба типа самовозбуждающихся генераторов, которые были подключены к большой внешней нагрузке в неподвижном состоянии, не смогут создавать напряжение даже при наличии остаточного поля. Нагрузка действует как сток энергии и постоянно отводит небольшой ток ротора, создаваемый остаточным полем, предотвращая накопление магнитного поля в катушке возбуждения.
Динамо-машины, обычно приводимые в движение паровыми двигателями , широко использовались на электростанциях для выработки электроэнергии для промышленных и бытовых целей. С тех пор они были заменены генераторами переменного тока .
Большие промышленные динамо-машины с последовательными и параллельными (шунтирующими) обмотками может быть трудно использовать вместе на электростанции, если только ротор, полевая проводка или системы механического привода не соединены вместе в определенных специальных комбинациях. [19]
Динамо-машины использовались в автомобилях для выработки электроэнергии для зарядки аккумуляторов. Ранним типом была динамо-машина с третьей щеткой . Их снова заменили генераторы переменного тока .
Динамо-машины все еще находят применение в приложениях с низким энергопотреблением, особенно там, где требуется постоянный ток низкого напряжения, поскольку генератор переменного тока с полупроводниковым выпрямителем может быть неэффективен в этих приложениях.
Динамо-машины с ручным заводом используются в часовых радиоприемниках , ручных фонарях и другом оборудовании, приводимом в действие человеком, для подзарядки батарей .
Генератор, используемый для освещения велосипедов, можно назвать «динамо-машиной», но это почти всегда устройства переменного тока, поэтому, строго говоря, их следует называть «генераторами переменного тока».
магнитоэлектрическая машина.
