איך פועל מנוע זרם ישר?
איך עובד מנוע ייצור זרם חילופין?
הגדרת מנוע ייצור זרם חילופין
מנוע ייצור זרם חילופין הוא מכשיר הממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית ישירה באמצעות עקרון האינדוקציה אלקטרומגנטית.
חוק פראדיי
חוק זה קובע כי כאשר מוליך נע בשדה מגנטי, הוא חותך את קווי הכוח המגנטיים, מה שמחולל כוח אלקטרומוטיב (EMF) במוליך.
הגודל של ה-EMF המושרה תלוי בקצב שינוי החיבור המגנטי עם המוליך. ה-EMF יגרום לזרם לזרום אם מעגל המוליך סגור.
שני החלקים החיוניים ביותר של גנרטור הם:
השדה המגנטי
מוליכים שנעים בתוך השדה המגנטי.
כעת שאנו מבינים את הבסיסים, נוכל לדון בעקרון הפעולה של גנרטור זרם ישר. ייתכן שתמצאו שימושי ללמוד גם על סוגים שונים של גנרטורים זרם ישר.
פעולת לולאה יחידה
בגנרטור זרם ישר עם לולאה אחת, סיבוב הלולאה בשדה מגנטי מחולל EMF, והכיוון של הזרם נקבע על פי כלל היד ימין של פלמינג.
באיור למעלה, לולאה אחת של מוליך בצורת מלבן ממוקמת בין שני קטבים מנוגדים של מגנט.
נניח שהלולאה המלבנית של המוליך ABCD מסתובבת בתוך השדה המגנטי סביב צירו ab.
כאשר הלולאה מסתובבת מהעמדה האנכית לעמדה האופקית, היא חותכת את קווי הפלוקס של השדה. במהלך תנועה זו, שתי הצדדים, כלומר AB ו-CD של הלולאה, חותכים את קווי הפלוקס, ולכן יהיה EMF מושרה בשני הצדדים (AB ו-BC) של הלולאה.
כאשר הלולאה מתסגר, יהיה זרם המתגלגל דרך הלולאה. הכיוון של הזרם ניתן לקביעת על פי כלל היד ימין של פלמינג.
כלל זה אומר שאם תמתח את האצבע המורה, האמה ואצבע הסמוך של יד ימין שלך בניצב אחד לשני, אז האגודל מצביע על כיוון תנועת המוליך, האצבע המורה מצביעה על כיוון השדה המגנטי, כלומר מקטב N לקטב S, ואצבע הסמוך מצביעה על כיוון זרימת הזרם במוליך.
אם נפעיל את כלל היד ימין, נראה שבמיקום האופקי של הלולאה, הזרם יזרום מהנקודה A ל-B, ובצד השני של הלולאה, הזרם יזרום מהנקודה C ל-D.
אם נאפשר ללולאה להמשיך להסתובב, היא תגיע שוב למצב האנכי, אבל עכשיו הצד העליון של הלולאה יהיה CD, והצד התחתון יהיה AB (בדיוק הפוך מהמצב האנכי הקודם).
במצב זה, התנועה המשיקית של הצדדים של הלולאה מקביל לקווי הפלוקס של השדה. לכן, לא יהיה שום שאלה של חיתוך פלוקס, ולפיכך, לא יהיה זרם בלולאה.
אם הלולאה ממשיכה להסתובב, היא מגיעה שוב למצב אופקי. אבל עכשיו, הצד AB של הלולאה נמצא מול קטב N, והצד CD נמצא מול קטב S, כלומר, בדיוק הפוך מהמצב האופקי הקודם כפי שמוצג באיור לצידו.
כאן התנועה המשיקית של הצדדים של הלולאה מאונכת לקווי הפלוקס; לכן קצב חיתוך הפלוקס הוא מקסימלי כאן, ועל פי כלל היד ימין של פלמינג, במיקום זה הזרם יזרום מהנקודה B ל-A ובצד השני מהנקודה D ל-C.
אם הלולאה תמשיך להסתובב סביב צירה, כל פעם שהצד AB יהיה מול קטב S, הזרם יזרום מהנקודה A ל-B. שוב, כשהוא יהיה מול קטב N, הזרם יזרום מהנקודה B ל-A.
באופן דומה, כל פעם שהצד CD יהיה מול קטב S, הזרם יזרום מהנקודה C ל-D. כשצד CD יהיה מול קטב N, הזרם יזרום מהנקודה D ל-C.
אם נצפה בתופעה בצורה שונה, נוכל להסיק שכל פעם שהצד של הלולאה יהיה מול קטב N, הזרם יזרום דרך הצד באותו כיוון, כלומר, כלפי מטה מהמשטח المرجعي.
באופן דומה, כל פעם שהצד של הלולאה יהיה מול קטב S, הזרם דרך הצד יזרום באותו כיוון, כלומר, כלפי מעלה מהמשטח המرجع. מכאן נגיע לתושא העקרון של גנרטור זרם ישר.
עכשיו הלולאה נפתחת ומחוברת עם טבעת מפוצלת כפי שמוצג באיור למטה. טבעות מפוצלות, עשויות מצילינדר מוליך, מפורקות לשני חצאים או סגמנטים מבודדים אחד מהשני.
נחבר את טרמינלי המטען החיצוני עם שתי מרפקות פחם שמניחות על סגמני הטבעות המפוצלות.
טבעת מפוצלת ומרפקות
טבעות מפוצלות (קומוטטור) ומרפקות פחם מבטיחות שהזרם נשאר חד-כיווני על ידי הפיכת החיבורים ככל שהלולאה מסתובבת.
מיקום המרפקות
המרפקות ממוקמות כך שה-EMF הוא אפס כאשר הקויל מאונך לשדה המגנטי, מאפשר זרימה חלקה של הזרם.
עקרון הפעולה של גנרטור זרם ישר
נוכל לראות שבמחצית הראשונה של הסיבוב הזרם תמיד זורם לאורך ABLMCD, כלומר מרפקה מספר 1 במגע עם סגמנט a. במחצית השנייה של הסיבוב, באילוסטרציה, כיוון הזרם המושרה בקוייל מתהפך. אך באותו זמן מיקומי הסגמנטים a ו-b גם מתהפכים, מה שגורם למרפקה מספר 1 לבוא במגע עם סגמנט b.
לכן, הזרם במנגד המטען זורם שוב מל ל-M. צורת הגל של הזרם דרך מעגל המטען היא כמו שמוצג באיור. הזרם הזה הוא חד-כיווני.
התוכן הנ"ל הוא העיקרון הבסיסי של פעולה של גנרטור זרם ישר, המוסבר על ידי דגם הגנרטור עם לולאה אחת.
מיקומי המרפקות של גנרטור זרם ישר הם כאלה שהמעבר של הסגמנטים a ו-b ממפרקת אחת לאחרת קורה כאשר המישור של הקויל הסובב הוא בזווית ישרה למישור קווי הכוח. כדי להיות במצב זה, ה-EMF המושרה בקוייל הוא אפס.
