Динамо - машина — это электрический генератор , который создает постоянный ток с помощью коммутатора . Динамо-машины были первыми электрическими генераторами, способными вырабатывать электроэнергию для промышленности, и основой, на которой основывались многие другие более поздние устройства преобразования электроэнергии , включая электродвигатель , генератор переменного тока и роторный преобразователь .
Сегодня более простой генератор переменного тока доминирует в крупномасштабной генерации электроэнергии по причинам эффективности, надежности и стоимости. Динамо-машина имеет недостатки механического коммутатора . Кроме того, преобразование переменного тока в постоянный с помощью выпрямителей (таких как вакуумные трубки или, в последнее время, с помощью твердотельной технологии) является эффективным и обычно экономичным.
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, который окружает 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 было динамо в современном смысле, потому что оно не использовало коммутатор .
Эта конструкция была неэффективна из-за самокомпенсирующихся встречных токов тока в областях диска, которые не находились под влиянием магнитного поля. В то время как ток индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал бы в обратном направлении в областях, которые находились вне влияния магнитного поля. Этот встречный поток ограничивал выходную мощность на провода датчика и вызывал ненужный нагрев медного диска. Более поздние униполярные генераторы решили бы эту проблему, используя массив магнитов, расположенных по периметру диска, чтобы поддерживать устойчивый эффект поля в одном направлении потока 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, более полезные напряжения можно получить, намотав несколько витков провода в катушку. Проволочные обмотки могут легко производить любое желаемое напряжение, изменяя количество витков, поэтому они были особенностью всех последующих конструкций генераторов, требуя изобретения коммутатора для получения постоянного тока.
Первая коммутируемая динамо-машина была построена в 1832 году Ипполитом Пикси , французским производителем инструментов. Она использовала постоянный магнит , который вращался кривошипом. Вращающийся магнит был расположен таким образом, что его северный и южный полюса проходили мимо куска железа, обмотанного изолированной проволокой.
Пиксий обнаружил, что вращающийся магнит производит импульс тока в проводе каждый раз, когда полюс проходит мимо катушки. Однако северный и южный полюса магнита индуцируют токи в противоположных направлениях. Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, Пиксий изобрел коммутатор , разделенный металлический цилиндр на валу с двумя пружинящими металлическими контактами, которые прижимаются к нему.
Эта ранняя конструкция имела проблему: электрический ток, который она производила, состоял из серии "пиков" или импульсов тока, не разделенных вообще ничем, что приводило к низкой средней выходной мощности. Как и в случае с электродвигателями того периода, конструкторы не полностью осознавали серьезные пагубные последствия больших воздушных зазоров в магнитной цепи.
Антонио Пачинотти , итальянский профессор физики, решил эту проблему около 1860 года, заменив вращающуюся двухполюсную осевую катушку многополюсной тороидальной , которую он создал, обернув железное кольцо непрерывной обмоткой, соединенной с коммутатором во многих равноудаленных точках вокруг кольца; коммутатор был разделен на множество сегментов. Это означало, что некоторая часть катушки постоянно проходила мимо магнитов, сглаживая ток. [1]
Электрогенератор Woolrich 1844 года, который сейчас находится в Thinktank, Бирмингемском научном музее , является самым ранним электрогенератором, использовавшимся в промышленном процессе. [2] Он использовался фирмой Elkingtons для коммерческой гальванизации . [3] [4] [5]
.jpg/1280px-Thinktank_Birmingham_-_object_1889S00044(1).jpg)
В 1827 году, независимо от Фарадея, венгерский изобретатель Аньош Едлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он назвал электромагнитными самороторами . В прототипе однополюсного электрического стартера как неподвижная, так и вращающаяся части были электромагнитными.
Около 1856 года, за шесть лет до Сименса и Уитстона , Аньос сформулировал концепцию динамо, но не запатентовал ее, поскольку считал, что не был первым, кто реализовал эту идею. Вместо постоянных магнитов его динамо использовало два электромагнита, расположенных друг напротив друга, чтобы индуцировать магнитное поле вокруг ротора. [6] [7] Это было также открытием принципа самовозбуждения динамо , [8] который заменил конструкции с постоянными магнитами.
Динамо-машина была первым электрическим генератором, способным вырабатывать энергию для промышленности. Современное динамо, пригодное для использования в промышленных целях, было изобретено независимо друг от друга 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 .
«Динамоэлектрическая машина» использовала самопитающиеся катушки электромагнитного поля вместо постоянных магнитов для создания поля статора. [ требуется ссылка ] Конструкция Уитстона была похожа на конструкцию Сименса, с той разницей, что в конструкции Сименса электромагниты статора были последовательно с ротором, а в конструкции Уитстона они были параллельны. [9] Использование электромагнитов вместо постоянных магнитов значительно увеличило выходную мощность динамо и впервые позволило производить большую мощность. Это изобретение привело непосредственно к первому крупному промышленному использованию электроэнергии. Например, в 1870-х годах Сименс использовал электромагнитные динамо для питания электродуговых печей для производства металлов и других материалов.
Разработанная динамо-машина состояла из неподвижной структуры, которая обеспечивала магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, которые вращались внутри этого поля. В более крупных машинах постоянное магнитное поле обеспечивалось одним или несколькими электромагнитами, которые обычно называются полевыми катушками.
Зеноб Грамм переосмыслил конструкцию Пачинотти в 1871 году при проектировании первых коммерческих электростанций, работающих в Париже . Преимуществом конструкции Грамм был лучший путь для магнитного потока , путем заполнения пространства, занимаемого магнитным полем, тяжелыми железными сердечниками и минимизации воздушных зазоров между неподвижными и вращающимися частями. Динамо Грамм было одной из первых машин, вырабатывающих коммерческие объемы энергии для промышленности. [10] Дальнейшие усовершенствования были сделаны в кольце Грамм, но основная концепция вращающейся бесконечной петли провода остается в основе всех современных динамо. [11]
Чарльз Ф. Браш собрал свою первую динамо-машину летом 1876 года, используя для ее питания беговую дорожку , запряженную лошадью . Конструкция Браша модифицировала динамо-машину Грамма , придав кольцевому якорю форму диска, а не цилиндра. Электромагниты поля 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 и электрическую энергию, их объединили в устройства, называемые роторными преобразователями , вращающимися машинами, чьей целью было не обеспечение механической энергии для нагрузок, а преобразование одного типа электрического тока в другой, например постоянного тока в переменный . Это были многополевые однороторные устройства с двумя или более наборами вращающихся контактов (коммутаторов или контактных колец, в зависимости от необходимости), один из которых обеспечивал питание одного набора обмоток якоря для вращения устройства, а один или несколько были присоединены к другим обмоткам для получения выходного тока.
Роторный преобразователь может напрямую преобразовывать, внутри, любой тип электроэнергии в любой другой. Это включает преобразование между постоянным током (DC) и переменным током (AC), трехфазным и однофазным питанием, 25 Гц переменного тока и 60 Гц переменного тока или многими различными выходными напряжениями одновременно. Размер и масса ротора были сделаны большими, чтобы ротор мог действовать как маховик, помогая сглаживать любые внезапные скачки или провалы в приложенной мощности.
Технология вращающихся преобразователей была заменена в начале 20-го века ртутными выпрямителями , которые были меньше, не создавали вибрации и шума и требовали меньшего обслуживания. Те же задачи преобразования теперь выполняют твердотельные силовые полупроводниковые приборы . Вращающиеся преобразователи использовались в метро West Side IRT в Манхэттене до конца 1960-х годов и, возможно, несколько лет спустя. Они питались переменным током частотой 25 Гц и обеспечивали постоянный ток напряжением 600 вольт для поездов.
Машины постоянного тока, такие как динамо-машины и коммутируемые двигатели постоянного тока, имеют более высокие затраты на техническое обслуживание и ограничения мощности, чем машины переменного тока (AC), из-за использования в них коммутатора . Эти недостатки:
Хотя динамо-машины постоянного тока были первым источником электроэнергии для промышленности, их приходилось размещать поблизости от фабрик, которые использовали их энергию. Электричество можно было экономично распределять на расстояния только как переменный ток (AC), используя трансформатор . С переходом электроэнергетических систем на переменный ток в 1890-х годах, в течение 20-го века динамо-машины были заменены генераторами переменного тока , и теперь они почти устарели.
Слово «динамо» (от греческого слова dynamis (δύναμις), что означает силу или мощность) изначально было другим названием электрического генератора и до сих пор используется в некоторых регионах в качестве замены слову генератор. 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 генерации постоянного тока. Более ранние генераторы постоянного тока, которые использовали постоянные магниты, не считались «динамоэлектрическими машинами». [16] Изобретение принципа динамо (самоиндукции) было крупным технологическим скачком по сравнению со старыми традиционными генераторами постоянного тока на основе постоянных магнитов. Открытие принципа динамо сделало промышленное производство электроэнергии технически и экономически осуществимым. После изобретения генератора переменного тока и того, что переменный ток может использоваться 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 колеса велосипеда для питания фар, называется динамо-втулкой , хотя это всегда устройства переменного тока, [ необходима ссылка ] и на самом деле являются магнето .
Электрическая динамо-машина использует вращающиеся катушки из проволоки и магнитные поля для преобразования механического вращения в пульсирующий постоянный электрический ток с помощью закона индукции Фарадея . Динамо-машина состоит из неподвижной конструкции, называемой статором , которая обеспечивает постоянное магнитное поле , и набора вращающихся обмоток, называемых якорем , которые вращаются внутри этого поля. Из-за закона индукции Фарадея движение проволоки внутри магнитного поля создает электродвижущую силу , которая толкает электроны в металле, создавая электрический ток в проводе. В небольших машинах постоянное магнитное поле может обеспечиваться одним или несколькими постоянными магнитами ; более крупные машины имеют постоянное магнитное поле, обеспечиваемое одним или несколькими электромагнитами , которые обычно называются полевыми катушками .
Коммутатор необходим для получения постоянного тока . Когда проволочная петля вращается в магнитном поле, магнитный поток через нее — и, следовательно, потенциал, индуцированный в ней — меняют полярность с каждым полуоборотом, создавая переменный ток . Однако на заре электрических экспериментов переменный ток , как правило, не имел известного применения. В немногих применениях электричества, таких как гальваника , использовался постоянный ток, обеспечиваемый грязными жидкими батареями . Динамо-машины были изобретены в качестве замены батареям. Коммутатор по сути является поворотным переключателем . Он состоит из набора контактов, установленных на валу машины, в сочетании с графитовыми блоками неподвижных контактов, называемых «щетками», потому что самые ранние такие неподвижные контакты были металлическими щетками. Коммутатор меняет полярность подключения обмоток к внешней цепи, когда потенциал меняется на противоположную — поэтому вместо переменного тока создается пульсирующий постоянный ток.
Самые ранние динамо использовали постоянные магниты для создания магнитного поля. Их называли «магнитоэлектрическими машинами» или магнето . [17] Однако исследователи обнаружили, что более сильные магнитные поля — и, следовательно, большую мощность — можно создавать, используя электромагниты (катушки поля) на статоре. [18] Их называли «динамоэлектрическими машинами» или динамо. [17] Катушки поля статора изначально возбуждались отдельно отдельным, меньшим динамо или магнето. Важным достижением Уайльда и Сименса было открытие (к 1866 году), что динамо также может самовозбуждаться , используя ток, генерируемый самим динамо. Это позволило вырастить гораздо более мощное поле, а значит, и гораздо большую выходную мощность .
Самовозбуждающиеся динамо-машины постоянного тока обычно имеют комбинацию последовательных и параллельных (шунтовых) обмоток возбуждения, которые напрямую питаются ротором через коммутатор в режиме рекуперации. Они запускаются и работают аналогично современным переносным электрогенераторам переменного тока, которые не используются с другими генераторами в электросети.
В металлическом корпусе устройства, когда оно не работает, сохраняется слабое остаточное магнитное поле, которое отпечаталось на металле обмотками возбуждения. Динамо начинает вращаться, не будучи подключенным к внешней нагрузке. Остаточное магнитное поле индуцирует очень небольшой электрический ток в обмотках ротора, когда они начинают вращаться. Без подключенной внешней нагрузки этот небольшой ток затем полностью подается в обмотки возбуждения, которые в сочетании с остаточным полем заставляют ротор вырабатывать больше тока. Таким образом, самовозбуждающееся динамо наращивает свои внутренние магнитные поля, пока не достигнет своего нормального рабочего напряжения. Когда оно способно вырабатывать достаточный ток для поддержания как своих внутренних полей, так и внешней нагрузки, оно готово к использованию.
Самовозбуждающееся динамо с недостаточным остаточным магнитным полем в металлическом каркасе не сможет производить ток в роторе, независимо от скорости вращения ротора. Такая ситуация может также возникнуть в современных самовозбуждающихся портативных генераторах и решается для обоих типов генераторов аналогичным образом, путем подачи кратковременного заряда батареи постоянного тока на выходные клеммы остановленного генератора. Батарея питает обмотки ровно настолько, чтобы запечатлеть остаточное поле, чтобы позволить наращивать ток. Это называется миганием поля .
Оба типа самовозбуждающихся генераторов, которые были подключены к большой внешней нагрузке, пока они были неподвижны, не смогут наращивать напряжение даже при наличии остаточного поля. Нагрузка действует как сток энергии и непрерывно отводит небольшой ток ротора, создаваемый остаточным полем, предотвращая накопление магнитного поля в катушке возбуждения.
Динамо-машины, обычно приводимые в действие паровыми двигателями , широко использовались на электростанциях для выработки электроэнергии для промышленных и бытовых целей. С тех пор их заменили генераторы переменного тока .
Большие промышленные динамо-машины с последовательными и параллельными (шунтирующими) обмотками может быть трудно использовать вместе на электростанции, если только ротор, обмотка возбуждения или механические приводные системы 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 по-прежнему находят применение в маломощных устройствах, особенно там, где требуется постоянный ток низкого напряжения, поскольку генератор переменного тока с полупроводниковым выпрямителем может оказаться неэффективным в этих устройствах.
Динамо-машины с ручным приводом используются в радиоприемниках с часовым механизмом , ручных фонариках и другом оборудовании, приводимом в действие человеком, для зарядки аккумуляторов .
Генератор, используемый для освещения велосипеда, можно назвать «динамо-машиной», но это почти всегда устройства переменного тока, поэтому, строго говоря, их можно назвать «генераторами переменного тока».
магнитоэлектрическая машина.
