Stejnosměrné generátory dynama. 1. Princip činnosti

Stejnosměrné generátory → dynama

1. Princip činnosti  stator dynama vytváří budící magnetické pole  v tomto poli se otáčí vinutí rotoru → s jedním závitem  v závitech rotoru se indukuje napětí změnou velikosti magnetického toku procházejícího smyčkou, a vzniká proud  přímo proti pólům se indukuje v pohybujících se vodičích největší napětí z důvodu největší změny magnetického toku procházejícího smyčkou → obr. I a III  při pohybu vodiče smyčky ve směrech rovnoběžných se směry indukčních čar se neindukuje žádné napětí => neutrální zóna → obr. II  během otáčení se mění směr průchodu indukčních čar smyčkou a tím i polarita indukovaného napětí na koncích smyčky

V kotvě stejnosměrného generátoru se indukuje střídavé napětí.  proud z rotujících cívek může být odváděn pomocí: a) sběracích kroužků → střídavé napětí

b) komutátoru → stejnosměrné napětí  zajišťuje přepínání polarity – usměrnění Komutátor stejnosměrného generátoru (dynama) působí jako usměrňovač.  vzniká tepající napětí  pro zmenšení zvlnění se používá rotorů s více vzájemně pootočenými smyčkami (resp. vícesmyčkovými, tj. vícezávitovými vinutími pro dosažení vyššího napětí)  každé smyčce odpovídá na komutátoru dvojice protilehlých lamel  lamely jsou uspořádány tak, že kartáče odebírají napětí vždy jen z dvojice lamel odpovídající smyčce s největším indukovaným napětím → kolmo na směr indukčních čar a napětí z ostatních smyček jsou nevyužita

 při sériovém propojení smyček na kotvě → žádná indukovaná napětí nezůstanou nevyužita → sčítají se napětí na všech smyčkách

 i přes malá indukovaná napětí v jednotlivých smyčkách (závitech) může dynamo dávat dynamo velké napětí, má-li na rotoru (kotvě) mnohozávitová vinutí (cívky)  kotva (rotor) dynama má většinou bubnové provedení s hladkým povrchem Napětí dynama roste s rostoucími otáčkami a s rostoucím budícím proudem.

2. Druhy stejnosměrných generátorů a) generátory s cizím buzením:  s budícím vinutím  budicí vinutí není propojeno s vinutím kotvy  budicí vinutí je napájeno z cizího zdroje

A1, A2 – vývody vinutí kotvy F1, F2 – vývody vinutí pro cizí buzení

 s permanentními magnety  jako cizí vinutí může být použito permanentního magnetu  budicí vinutí je pak úplně nahrazeno permanentním magnetem A1, A2 – vývody vinutí kotvy

 při zatížení klesá vyráběné napětí oproti napětí naprázdno vlivem odporu vinutí kotvy

Dynamo s cizím buzením – zatěžovací charakteristika

 při zatěžování klesá výstupní napětí dynama  úbytek napětí je dán odporem vinutí kotvy  na velikost výstupního napětí má vliv i budicí proud Ib  generátor s cizím buzením se používá např. v Leonardově skupině pro buzení rotoru stejnosměrného motoru, jehož otáčky lze regulovat ve velkém rozsahu → stator motoru i dynama jsou buzeny společným budičem  budič i dynamo jsou na společném hřídeli a jsou poháněny většinou asynchronním (trojfázovým) motorem

b) derivační generátor  budící vinutí je připojeno paralelně k vinutí kotvy  při rozběhu se v kotvě indukuje díky zbytkovému magnetizmu statoru malé napětí  při správném připojení budícího vinutí protéká nejprve malý budící proud, který zesílí indukcí magnetického pole

a ta způsobí zvětšení indukovaného napětí → dynamo se samo nabudí  při obráceném připojení budícího vinutí zeslabí budící proud zbytkové magnetické pole a dynamo se nenabudí → dynamo nedodává el. energii  k nastavení budícího napětí slouží většinou nastavitelný rezistor

 při odpojení buzení → odpojení dynama z provozu, by se mohlo v budícím statorovém vinutí indukovat velké napětí, které by mohlo prorazit izolaci → musíme při odpojení od vinutí rotoru zkratovat pomocným kontaktem

Derivační dynamo zatěžovací charakteristika

 napětí dodávané derivačním dynamem klesá se zatížením více než u dynam s cizím buzením  malý úbytek napětí na vinutí kotvy způsobí zmenšení napětí na budícím vinutí a následné zmenšení budícího proudu  budicí proud Ib je možné regulovat pomocí rezistoru  při obráceném směru otáčení musí být zachován směr proudu v budícím vinutí, aby byl nadále v souladu s orientací zbytkového magnetického pole

c) kompaundní generátor

 má dvě budící vinutí:  jedno je zapojeno jako derivační → paralelně k vinutí kotvy  druhé je zapojeno sériově s vinutí kotvy  regulace napětí probíhá stejně jako u derivačního dynama – a to pomocí odporu zapojeného v paralelní větvi

 sériové budící vinutí je zapojeno tak, že s rostoucím zatížení svým sílícím magnetickým polem posílí magnetické pole paralelního vinutí → způsobí při rostoucím zatížení (proudovém) nárůst svorkového napětí

 je-li sériové vinutí dimenzováno tak, že je svorkové napětí při konstantních otáčkách nezávislé na zatížení, má dynamo vyvážené sériovo-paralelní (kompaundní) buzení  sériové vinutí kompenzuje pokles napětí paralelního vinutí při nárůstu zatížení  klesá-li se zatížením napětí → generátor je podkompenzován  narůstá-li se zatížením napětí → generátor je překompenzován  jsou to nejdůležitější stejnosměrné generátory, používají se např. jako zdroj budícího proudu pro synchronní trojfázové generátory

Kompaundní dynamo – zatěžovací charakteristika

 sériové budicí vinutí kompenzuje úbytek napětí vznikající při zatížení => výsledná zatěžovací charakteristika pak se zatížením neklesá (výstupní napětí není závislé na zatížení)

3. Příčné pole kotvy  hlavní póly stejnosměrného generátoru vytvářejí budící magnetické pole, které se uzavírá přes kotvu tvořenou svazkem rotorových plechů

Budící pole stejnosměrného generátoru

 kartáče jsou umístěny tak, že mají při přepínání vždy kontakt s lamelami, na které jsou současně připojeny vývody těch dvou vinutí kotvy, která je v neutrální zóně, tedy bez rozdílu napětí  tím je zabráněno jiskření mezi lamelami rotujícího komutátoru a sběrnými uhlíkovými kartáči  výsledné pulzující napětí pak spojitý průběh Zpětné působení kotvy  při zatížení dynama protéká vinutím kotvy proud → cívka kotvy vytváří magnetické pole, které v okamžiku maxima kolmé k magnetickému poli statoru označováno jako příčné pole kotvy

Pole kotvy stejnosměrného generátoru

 hlavní budící pole statoru vytváří společně s příčným polem kotvy společné pole, jehož osa je pootočena ve směru otáčení kotvy

Výsledné pole stejnosměrného generátoru

 toto pootočení způsobené zpětným působením kotvy narůstá s proudovou zátěží dynama Při zatížení dynama se pootáčí neutrální zóna ve směru otáčení.  pokud jsou kartáče v kontaktu s lamelami vinutí mimo neutrální zónu (tedy pod napětím), zkratují různá napětí mezi sousedními lamelami  vzhledem k otáčení komutátoru pak dochází stále k rozpojování zkratových proudů mezi lamelami a tím

k opalování kartáčů a lamel elektrickými oblouky a jiskrami  při stabilní hodnotě proudového zatížení dynama je možno natočit věnec s držáky kartáčů do neutrální polohy Kartáče stejnosměrného stroje musí být vždy v napěťově neutrální poloze. Pomocné póly → komutační póly  zpětné působení kotvy je možné kompenzovat magnetickým polem pomocného vinutí statoru  mezi hlavní póly statoru jsou umístěny pomocné (komutační póly  protože je indukce příčného pole kotvy závislá na proudu kotvy, je vinutí komutačních pólů zapojeno v sérii s vinutím kotvy  tím je dosaženo stavu, že i při kolísajícím proudovém zatížení mají příčné pole kotvy i komutační pole stejně velikou a opačnou indukci a vždy se vzájemně kompenzují → nedochází k pootáčení neutrální zóny v magnetickém poli statoru Komutační póly statoru zabraňují pootočení neutrální zóny vlivem příčného pole kotvy.  ve statoru dynama vždy následuje na obvodu statoru ve směru otáčení rotoru za každým hlavním pólem určité polarity pomocný komutační pól opačné polarity → za severním hlavním pólem následuje jižní pól vedlejší  při přepólování kotvy pro změnu směru otáčení je nutné s hlavním vinutím přepólovat i pomocné vinutí → spojení mezi vinutím kotvy a vinutím pomocných pólů provedeno uvnitř stroje mimo svorkovnici

Kompenzační vinutí  působí kompenzačně proti přímému poli kotvy v rozsahu pootočení mezi dvěma hlavními póly  budící pole hlavních pólů však může být vytlačeno dále k jedné hraně hlavního pólu což způsobí oslabení pole v důsledku magnetického přesycení v okrajích pólových nástavců

Generátor s komutačními póly

 v důsledku nehomogenity pole (různých hodnot indukčnosti) se indukují v cívkách kotvy různá napětí, což vede k napěťovým rozdílům mezi sousedními lamelami komutátoru  toto lamelové napětí narůstá s deformacemi magnetického pole s otáčkami  lamelová napětí nad 35 V (mezilamelové rozdíly) mohou způsobit tvoření oblouků a poškození kartáčů i lamel Kompenzační vinutí zabraňují deformacím budícího pole v oblasti hlavních pólů.

Konstrukce generátorů stejnosměrného napětí a) s permanentními magnety

b) s budícím vinutím na statoru