Динамо-генератор¶

Динамо-генератор — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую постоянного тока посредством электромагнитной индукции. В отличие от генераторов переменного тока (альтернаторов), динамо-машина вырабатывает ток, не меняющий своего направления во внешней цепи. Исторически динамо-генераторы были первыми электрическими генераторами, пригодными для промышленного использования, и сыграли ключевую роль в развитии электроэнергетики в XIX — начале XX века.

¶История

¶Предпосылки и первые опыты

Принцип электромагнитной индукции был открыт Майклом Фарадеем в 1831 году. В том же году он создал первый прототип генератора — «диск Фарадея», который вырабатывал постоянный ток, но имел крайне низкий КПД и не мог быть использован на практике. В 1832 году французский изобретатель Ипполит Пикси построил первую машину, в которой вращающийся магнит индуцировал ток в неподвижных катушках; однако ток был переменным, и для получения постоянного тока Пикси применил примитивный коммутатор.

¶Развитие конструкции

В 1860-х годах началось активное совершенствование генераторов. В 1866 году немецкий инженер Эрнст Вернер фон Сименс предложил конструкцию динамо-машины с самовозбуждением, в которой магнитное поле создавалось током, вырабатываемым самим генератором. Это изобретение стало прорывом, так как устранило необходимость в отдельном источнике питания для электромагнитов. В 1870 году бельгиец Зеноб Грамм создал кольцевой якорь (якорь Грамма), который значительно повысил равномерность выходного тока и КПД машины. Машина Грамма стала первым коммерчески успешным динамо-генератором.

¶Промышленное применение

С 1870-х годов динамо-машины начали широко применяться для освещения (дуговые лампы, а затем лампы накаливания), электролиза, привода электродвигателей. Первая в России электростанция постоянного тока на основе динамо-генераторов была построена в 1879 году на Литейном мосту в Санкт-Петербурге для освещения моста. В 1882 году на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве была продемонстрирована система электрического освещения с использованием динамо-машин. К концу XIX века динамо-генераторы стали основой городских электростанций и заводских силовых установок.

¶Упадок и современное состояние

С развитием систем переменного тока (трансформаторы, асинхронные двигатели) и созданием надёжных генераторов переменного тока в конце XIX — начале XX века динамо-генераторы постепенно вытеснялись из крупной энергетики. Однако они продолжали использоваться в специальных областях: на железнодорожном транспорте (для питания цепей управления и освещения вагонов), в автомобилях (до внедрения генераторов переменного тока с выпрямителями), на судах и в промышленности, где требовался постоянный ток. В настоящее время динамо-генераторы в классическом виде (с коллектором) практически не применяются для выработки электроэнергии в промышленных масштабах, уступив место синхронным и асинхронным генераторам с полупроводниковыми выпрямителями. Однако в некоторых узкоспециализированных областях, например в низковольтных сварочных аппаратах или в качестве тахогенераторов, они всё ещё встречаются.

¶Устройство и принцип действия

¶Основные элементы

Конструкция динамо-генератора включает следующие ключевые узлы:

• Индуктор — система, создающая магнитное поле. В машинах с независимым возбуждением это постоянные магниты или электромагниты, питаемые от внешнего источника. В самовозбуждающихся машинах индуктор представляет собой электромагниты, обмотки которых подключены к якорю.
• Якорь — вращающаяся часть (ротор), на которой расположена обмотка, в которой индуцируется ЭДС. В классических динамо-машинах якорь имел кольцевую или барабанную конструкцию с большим числом витков.
• Коллектор — механический выпрямитель, состоящий из медных пластин, изолированных друг от друга. К пластинам прижимаются щётки (графитовые или медно-графитовые), которые снимают ток с вращающегося якоря. Коллектор преобразует переменный ток, возникающий в обмотке якоря, в постоянный во внешней цепи.
• Щёточный аппарат — узел, обеспечивающий скользящий контакт между неподвижными щётками и вращающимся коллектором.
• Корпус (станина) — магнитопровод и несущая конструкция, обычно из чугуна или стали, к которой крепятся полюсы индуктора.

¶Принцип работы

При вращении якоря в магнитном поле индуктора в его обмотке по закону электромагнитной индукции возникает переменная ЭДС. Коллектор, вращающийся вместе с якорем, переключает контакты обмотки таким образом, что щётки всегда оказываются подключены к тем виткам, где ЭДС имеет одно и то же направление. В результате на щётках формируется пульсирующее напряжение, которое после сглаживания (за счёт индуктивности обмотки и внешней нагрузки) становится практически постоянным.

¶Способы возбуждения

Динамо-генераторы классифицируются по способу создания магнитного поля:

• С независимым возбуждением — обмотка возбуждения питается от отдельного источника (аккумулятора, небольшого генератора). Обеспечивает точное регулирование напряжения, но требует внешнего питания.
• С самовозбуждением — обмотка возбуждения питается током, вырабатываемым самим генератором. Различают:
• Параллельное возбуждение (шунтовое) — обмотка возбуждения подключена параллельно якорю. Наиболее распространённый тип в классических динамо-машинах.
• Последовательное возбуждение (сериесное) — обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. Используется в тяговых генераторах и дуговых сварочных аппаратах.
• Смешанное возбуждение (компаундное) — имеются две обмотки: параллельная и последовательная. Позволяет поддерживать стабильное напряжение при изменении нагрузки.

¶Характеристики и параметры

¶Выходные параметры

Основные электрические характеристики динамо-генератора:

• Номинальное напряжение — от нескольких вольт (низковольтные генераторы для зарядки аккумуляторов) до 600–750 В (промышленные и тяговые генераторы).
• Номинальная мощность — от десятков ватт (маломощные генераторы для лабораторий) до нескольких мегаватт (крупные машины на электростанциях конца XIX века).
• Частота вращения — обычно от 500 до 3000 об/мин, в зависимости от конструкции и привода.
• Регулировочная характеристика — зависимость напряжения от тока нагрузки при неизменной частоте вращения.

¶КПД

Коэффициент полезного действия динамо-генераторов составлял от 70% (ранние образцы) до 90–95% (хорошо спроектированные машины начала XX века). Потери энергии складываются из потерь в обмотках (медные), потерь в магнитопроводе (стальные), механических потерь (трение в подшипниках и щётках) и вентиляционных потерь.

¶Применение

¶Историческое

• Электрическое освещение — питание дуговых ламп (прожекторы, маяки, уличное освещение) и ламп накаливания.
• Электролиз — получение алюминия, хлора, щелочей, где требовался постоянный ток большой силы.
• Электрические железные дороги — питание контактной сети трамваев и электропоездов постоянного тока (до перехода на выпрямительные подстанции).
• Привод электродвигателей — питание двигателей постоянного тока на заводах, в подъёмных механизмах, на судах.

¶Современное

• Автономные источники питания — в отдалённых районах, на геологических базах, в полевых условиях (например, дизель-динамо).
• Сварочные аппараты — генераторы с последовательным возбуждением обеспечивают крутопадающую внешнюю характеристику, необходимую для дуговой сварки.
• Тахогенераторы — маломощные динамо-машины, используемые для измерения частоты вращения валов.
• Учебные и лабораторные установки — для изучения принципов электромеханики.
• Реставрация и музейное дело — восстановленные исторические динамо-машины используются для демонстрации работы старых электростанций.

¶Интересные факты

• Первая в мире гидроэлектростанция, построенная в 1882 году на реке Фокс в США (штат Висконсин), использовала динамо-генераторы для освещения двух бумажных фабрик.
• В 1887 году в России на Царскосельской железной дороге была введена в эксплуатацию первая электрическая станция переменного тока, однако на многих промышленных объектах динамо-машины продолжали работать до 1930-х годов.
• Крупнейшие динамо-генераторы своего времени (мощностью до 5 МВт) были установлены на электростанции «Депо» в Нью-Йорке в 1890-х годах для освещения города.
• В автомобилях динамо-генераторы использовались до 1960-х годов, пока не были вытеснены более компактными и надёжными генераторами переменного тока с кремниевыми выпрямителями.

¶Источники

• Г. К. Жерве, «Электрические машины постоянного тока», Ленинград, 1935.
• А. И. Вольдек, «Электрические машины», Ленинград, 1974.
• М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский, «Электрические машины», Москва, 1973.
• Э. В. Сименс, «Воспоминания из моей жизни», Берлин, 1892 (русский перевод, 1900).
• Энциклопедия «Техника», том «Электротехника», Москва, 2000.