Dinamo
Dinamo, hareket enerjisini içindeki mıknatıs ve bobin sayesinde elektrik enerjisine dönüştüren bir araçtır. ⓘ
Dinamoyu bulan kişi "Michael Faraday", Elektromanyetik kuramları keşfetti, bir buhar makinesi ile bakır bir plakayı bir mıknatısın yarattığı manyetik alan içinde döndürerek elektrik üretti. ⓘ
Dinamo günlük hayatta her yerde vardır; otomobillerde, bisiklet vb... Dinamolar hidroelektrik santrallerinde kullanılır, su türbinlerine bağlıdır ve su türbine çarpınca hareket enerjisi oluşur. Hareket enerjisi de dinamo yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülür. ⓘ
Dinamonun temel çalışma prensibi manyetik akı değişimiyle oluşur.Manyetik akıyı kısa bir örnekle özetleyecek olursak; kare şeklinde tepsi benzeri bir tel levha düşünün, eğer ben bu tel levhayı manyetik alan içerisinde tel levhanın kenarı gelecek bir biçimde döndürürsem birim alan düşen manyetik alan azalacaktır dolayısıyla bu farklılık sonucu alternatif akım yani evde kullandığımız elektrik oluşur. İşte bu dönme hareketi içinde suyun hareketine gibi etkenlere ihtiyaç vardır. ⓘ
Dinamo, bir komütatör kullanarak doğru akım oluşturan bir elektrik jeneratörüdür. Dinamolar endüstri için güç sağlayabilen ilk elektrik jeneratörleridir ve elektrik motoru, alternatif akım alternatörü ve döner konvertör de dahil olmak üzere daha sonraki birçok elektrik-güç dönüştürme cihazının dayandığı temeldir. ⓘ
Günümüzde daha basit alternatör, verimlilik, güvenilirlik ve maliyet nedenleriyle büyük ölçekli enerji üretimine hakimdir. Bir dinamo, mekanik komütatörün dezavantajlarına sahiptir. Ayrıca, doğrultucular (vakum tüpleri gibi veya son zamanlarda katı hal teknolojisi ile) kullanarak alternatif akımı doğru akıma dönüştürmek etkili ve genellikle ekonomiktir. ⓘ
Tarihçe
Sabit mıknatıslı indüksiyon
Elektromanyetik jeneratörlerin çalışma prensibi 1831-1832 yıllarında Michael Faraday tarafından keşfedilmiştir. Daha sonra Faraday yasası olarak adlandırılan ilke, değişen bir manyetik akıyı çevreleyen bir elektrik iletkeninde bir elektromotor kuvvet üretilmesidir. ⓘ
Ayrıca, at nalı mıknatısının kutupları arasında dönen bakır bir disk kullanarak bir tür homopolar jeneratör olan Faraday diski adı verilen ilk elektromanyetik jeneratörü inşa etti. Küçük bir DC voltajı üretti. Bu akım anlamında bir dinamo değildi, çünkü bir komütatör kullanmıyordu. ⓘ
Bu tasarım, diskin manyetik alanın etkisi altında olmayan bölgelerindeki akımın kendi kendini iptal eden karşı akışları nedeniyle verimsizdi. Akım doğrudan mıknatısın altında indüklenirken, akım manyetik alanın etkisi dışında kalan bölgelerde geriye doğru dolaşıyordu. Bu ters akış, alıcı tellere giden güç çıkışını sınırlıyor ve bakır diskte atık ısınmaya neden oluyordu. Daha sonraki homopolar jeneratörler bu sorunu, tek bir akım akış yönünde sabit bir alan etkisi sağlamak için disk çevresine yerleştirilmiş bir dizi mıknatıs kullanarak çözecekti. ⓘ
Diğer bir dezavantaj ise manyetik akı boyunca tek bir akım yolu olması nedeniyle çıkış voltajının çok düşük olmasıydı. Faraday ve diğerleri daha yüksek, daha kullanışlı voltajların çok sayıda telin bir bobine sarılmasıyla üretilebileceğini buldular. Tel sargılar, sarım sayısını değiştirerek istenen herhangi bir voltajı rahatlıkla üretebilir, bu nedenle doğru akım üretmek için komütatörün icat edilmesini gerektiren sonraki tüm jeneratör tasarımlarının bir özelliği olmuştur. ⓘ
İlk dinamolar
İlk komütasyonlu dinamo 1832 yılında Fransız bir enstrüman yapımcısı olan Hippolyte Pixii tarafından yapılmıştır. Bir krank tarafından döndürülen sabit bir mıknatıs kullanıldı. Dönen mıknatıs, kuzey ve güney kutupları yalıtılmış telle sarılmış bir demir parçasının yanından geçecek şekilde konumlandırılmıştı. ⓘ
Pixii, dönen mıknatısın, bir kutup bobini her geçtiğinde telde bir akım darbesi ürettiğini buldu. Ancak, mıknatısın kuzey ve güney kutupları zıt yönlerde akımlar indüklemiştir. Alternatif akımı DC'ye dönüştürmek için Pixii bir komütatör icat etti; milin üzerinde, ona doğru bastıran iki yaylı metal kontağa sahip bölünmüş bir metal silindir. ⓘ
Bu ilk tasarımın bir sorunu vardı: ürettiği elektrik akımı bir dizi "ani" veya hiç akım olmadan ayrılan akım darbelerinden oluşuyordu ve bu da düşük bir ortalama güç çıkışına neden oluyordu. Dönemin elektrik motorlarında olduğu gibi, tasarımcılar manyetik devredeki büyük hava boşluklarının ciddi zararlı etkilerini tam olarak fark etmemişlerdi. ⓘ
İtalyan fizik profesörü Antonio Pacinotti, 1860 civarında bu sorunu, dönen iki kutuplu eksenel bobini çok kutuplu toroidal bir bobinle değiştirerek çözdü; bu bobini demir bir halkayı sürekli bir sargı ile sararak oluşturdu ve komütatöre halkanın etrafında eşit aralıklı birçok noktadan bağladı; komütatör birçok segmente bölündü. Bu, bobinin bir kısmının sürekli olarak mıknatısların yanından geçerek akımı yumuşattığı anlamına geliyordu. ⓘ
Şu anda Thinktank, Birmingham Bilim Müzesi'nde bulunan 1844 tarihli Woolrich Elektrik Jeneratörü, endüstriyel bir süreçte kullanılan en eski elektrik jeneratörüdür. Elkingtons firması tarafından ticari elektrokaplama için kullanılmıştır. ⓘ
Kendi kendini uyarma
.jpg)
Faraday'dan bağımsız olarak, Macar Ányos Jedlik 1827'de elektromanyetik kendinden rotorlar adını verdiği elektromanyetik dönen aygıtlarla deneyler yapmaya başladı. Tek kutuplu elektrikli marş motorunun prototipinde hem sabit hem de döner parçalar elektromanyetikti. ⓘ
Yaklaşık 1856 yılında Siemens ve Wheatstone'dan altı yıl önce dinamo kavramını formüle etti ancak bunu ilk gerçekleştirenin kendisi olmadığını düşündüğü için patentini almadı. Onun dinamosu, rotorun etrafındaki manyetik alanı indüklemek için sabit mıknatıslar yerine birbirine zıt yerleştirilmiş iki elektromıknatıs kullandı. Bu aynı zamanda sabit mıknatıslı tasarımların yerini alan dinamonun kendi kendini uyarması ilkesinin de keşfiydi. ⓘ
Pratik tasarımlar
Dinamo, endüstri için güç sağlayabilen ilk elektrik jeneratörüdür. Endüstriyel uygulamalarda kullanıma uygun modern dinamo, Sir Charles Wheatstone, Werner von Siemens ve Samuel Alfred Varley tarafından bağımsız olarak icat edildi. Varley 24 Aralık 1866'da patentini alırken, Siemens ve Wheatstone keşiflerini 17 Ocak 1867'de açıkladılar; Siemens keşfi üzerine Royal Society'ye bir makale sundu. ⓘ
"Dinamo-elektrik makinesi" stator alanını oluşturmak için sabit mıknatıslar yerine kendi kendine güç sağlayan elektromanyetik alan bobinleri kullanıyordu. Wheatstone'un tasarımı Siemens'inkine benziyordu, ancak Siemens'in tasarımında stator elektromıknatısları rotorla seri haldeyken Wheatstone'un tasarımında paralel haldeydi. Sabit mıknatıslar yerine elektromıknatısların kullanılması bir dinamonun güç çıkışını büyük ölçüde artırdı ve ilk kez yüksek güç üretimini mümkün kıldı. Bu buluş doğrudan elektriğin ilk büyük endüstriyel kullanımlarına yol açtı. Örneğin, 1870'lerde Siemens metal ve diğer malzemelerin üretimi için elektrikli ark fırınlarına güç sağlamak amacıyla elektromanyetik dinamolar kullanmıştır. ⓘ
Geliştirilen dinamo makinesi, manyetik alanı sağlayan sabit bir yapı ve bu alan içinde dönen bir dizi sargıdan oluşuyordu. Daha büyük makinelerde sabit manyetik alan, genellikle alan bobinleri olarak adlandırılan bir veya daha fazla elektromıknatıs tarafından sağlanır{ ⓘ
Zénobe Gramme, 1871 yılında Paris'te işletilen ilk ticari elektrik santrallerini tasarlarken Pacinotti'nin tasarımını yeniden keşfetti. Gramme'nin tasarımının bir avantajı, manyetik alan tarafından işgal edilen boşluğu ağır demir çekirdeklerle doldurarak ve sabit ve dönen parçalar arasındaki hava boşluklarını en aza indirerek manyetik akı için daha iyi bir yol sağlamasıydı. Gramme dinamosu, endüstri için ticari miktarlarda güç üreten ilk makinelerden biriydi. Gramme halkası üzerinde daha fazla iyileştirme yapıldı, ancak dönen sonsuz bir tel döngüsü temel konsepti tüm modern dinamoların kalbinde yer almaya devam ediyor. ⓘ
Charles F. Brush ilk dinamosunu 1876 yazında, güç sağlamak için atlı bir koşu bandı kullanarak monte etti. Brush'ın tasarımı, halka armatürü silindir yerine disk şeklinde şekillendirerek Gramme dinamosunu modifiye etti. Alan elektromıknatısları da armatür diskinin çevresi yerine yanlarına yerleştirildi. ⓘ
Döner dönüştürücüler
Dinamolar ve motorların mekanik veya elektrik gücü arasında kolaylıkla ileri geri dönüşüme izin verdiği bulunduktan sonra, döner konvertör adı verilen cihazlarda, amacı yüklere mekanik güç sağlamak değil, bir tür elektrik akımını diğerine, örneğin DC'yi AC'ye dönüştürmek olan döner makinelerde birleştirildi. Bunlar, biri cihazı döndürmek için bir armatür sargı setine güç sağlamak ve diğeri çıkış akımını üretmek için diğer sargılara bağlı olmak üzere iki veya daha fazla döner kontak setine (gerektiği gibi komütatör veya slipring) sahip çok alanlı tek rotorlu cihazlardır. ⓘ
Döner konvertör, dahili olarak, herhangi bir elektrik gücünü diğerine doğrudan dönüştürebilir. Bu, doğru akım (DC) ve alternatif akım (AC), üç fazlı ve tek fazlı güç, 25 Hz AC ve 60 Hz AC veya aynı anda birçok farklı çıkış gerilimi arasında dönüştürmeyi içerir. Rotorun boyutu ve kütlesi, uygulanan güçteki ani dalgalanmaları veya kesintileri yumuşatmaya yardımcı olmak için rotorun bir volan görevi göreceği şekilde büyük yapılmıştır. ⓘ
Döner konvertör teknolojisi 20. yüzyılın başlarında yerini daha küçük olan, titreşim ve gürültü üretmeyen ve daha az bakım gerektiren cıva buharlı redresörlere bıraktı. Aynı dönüştürme görevleri artık katı hal güç yarı iletken cihazları tarafından gerçekleştirilmektedir. Döner dönüştürücüler Manhattan'daki Batı Yakası IRT metrosunda 1960'ların sonlarına kadar ve muhtemelen birkaç yıl sonra da kullanılmaya devam etmiştir. Bunlar 25 Hz AC ile çalıştırılıyor ve trenler için 600 voltta DC sağlıyordu. ⓘ
Sınırlamalar ve düşüş
Dinamolar ve komütatörlü DC motorlar gibi doğru akım makineleri, komütatör kullanımları nedeniyle alternatif akım (AC) makinelerine göre daha yüksek bakım maliyetlerine ve güç sınırlamalarına sahiptir. Bu dezavantajlar şunlardır: ⓘ
- Fırçalar ve komütatör arasındaki kayma sürtünmesi güç tüketir, bu da düşük güçlü bir dinamoda önemli olabilir.
- Sürtünme nedeniyle fırçalar ve bakır komütatör segmentleri aşınır ve toz oluşturur. Büyük komütatörlü makineler fırçaların düzenli olarak değiştirilmesini ve komütatörün ara sıra yeniden yüzeylenmesini gerektirir. Komütatörlü makineler düşük partiküllü veya sızdırmaz uygulamalarda veya bakım yapılmadan uzun süre çalışması gereken ekipmanlarda kullanılamaz.
- Fırça ve komütatör arasındaki kayan temasın direnci "fırça düşüşü" adı verilen bir voltaj düşüşüne neden olur. Bu birkaç volt olabilir, bu nedenle düşük voltajlı, yüksek akımlı makinelerde büyük güç kayıplarına neden olabilir (yandaki resimde 7 voltluk elektrokaplama dinamosunun devasa komütatörüne bakın). Komütatör kullanmayan alternatif akım motorları çok daha verimlidir.
- Bir komütatör ile anahtarlanabilecek maksimum akım yoğunluğu ve voltajın bir sınırı vardır. Örneğin megawatt güç değerlerine sahip çok büyük doğru akım makineleri komütatörlerle yapılamaz. En büyük motorlar ve jeneratörlerin tümü alternatif akım makineleridir.
- Komütatörün anahtarlama hareketi kontaklarda kıvılcıma neden olarak patlayıcı ortamlarda yangın tehlikesi yaratır ve elektromanyetik parazit oluşturur. ⓘ
Doğru akım dinamoları endüstri için ilk elektrik gücü kaynağı olmasına rağmen, güçlerini kullanan fabrikalara yakın yerleştirilmeleri gerekiyordu. Elektrik ancak transformatör kullanılarak alternatif akım (AC) olarak ekonomik bir şekilde uzak mesafelere dağıtılabilirdi. 1890'larda elektrik güç sistemlerinin alternatif akıma dönüştürülmesiyle birlikte, 20. yüzyılda dinamoların yerini alternatörler almıştır ve artık neredeyse kullanılmamaktadır. ⓘ
Etimoloji
'Dinamo' kelimesi (Yunanca dynamis (δύναμις) kelimesinden gelir, kuvvet veya güç anlamına gelir) aslında bir elektrik jeneratörü için başka bir isimdi ve hala jeneratör kelimesinin yerine kullanılan bazı bölgesel kullanımlara sahiptir. Bu kelime 1831 yılında, icadını elektrik (Faraday elektrik indüksiyonunu keşfetmiştir) ve manyetizma alanlarında birçok keşif yapmak için kullanan Michael Faraday tarafından icat edilmiştir. ⓘ
Werner von Siemens'in orijinal "dinamo prensibi", DC güç üretmek için yalnızca kendi kendini uyarma (kendi kendine indüksiyon) prensibini kullanan doğru akım jeneratörlerine atıfta bulunuyordu. Sabit mıknatıs kullanan daha önceki DC jeneratörleri "dinamo elektrik makineleri" olarak kabul edilmemiştir. Dinamo prensibinin (kendi kendine indüksiyon) icadı, eski geleneksel sabit mıknatıs tabanlı DC jeneratörlerine göre büyük bir teknolojik sıçramaydı. Dinamo prensibinin keşfi, endüstriyel ölçekte elektrik enerjisi üretimini teknik ve ekonomik olarak uygulanabilir hale getirdi. Alternatörün icadından ve alternatif akımın bir güç kaynağı olarak kullanılabilmesinden sonra, dinamo kelimesi yalnızca 'komütasyonlu doğru akım elektrik jeneratörü' ile ilişkilendirilirken, kayma halkaları veya rotor mıknatısları kullanan bir AC elektrik jeneratörü alternatör olarak bilinir hale geldi. ⓘ
Işıklara güç sağlamak için bir bisiklet tekerleğinin göbeğine yerleştirilen küçük bir elektrik jeneratörüne göbek dinamosu denir, ancak bunlar her zaman AC cihazlardır ve aslında manyetolardır. ⓘ
Tasarım
Elektrik dinamosu, Faraday'ın indüksiyon yasası aracılığıyla mekanik dönüşü titreşimli bir doğrudan elektrik akımına dönüştürmek için dönen tel bobinleri ve manyetik alanlar kullanır. Bir dinamo makinesi, sabit bir manyetik alan sağlayan stator adı verilen sabit bir yapıdan ve bu alan içinde dönen armatür adı verilen bir dizi döner sargıdan oluşur. Faraday'ın indüksiyon yasası nedeniyle, telin manyetik alan içindeki hareketi, metaldeki elektronları iterek telde bir elektrik akımı yaratan bir elektromotor kuvvet yaratır. Küçük makinelerde sabit manyetik alan bir veya daha fazla sabit mıknatıs tarafından sağlanabilir; daha büyük makinelerde sabit manyetik alan genellikle alan bobini olarak adlandırılan bir veya daha fazla elektromıknatıs tarafından sağlanır. ⓘ
Komütasyon
Komütatör doğru akım üretmek için gereklidir. Bir tel halkası manyetik bir alanda döndüğünde, içinden geçen manyetik akı ve dolayısıyla içinde indüklenen potansiyel, her yarım dönüşte tersine dönerek alternatif bir akım üretir. Bununla birlikte, elektrik deneylerinin ilk günlerinde alternatif akımın genellikle bilinen bir kullanımı yoktu. Elektriğin elektrokaplama gibi az sayıdaki kullanımında, dağınık sıvı piller tarafından sağlanan doğru akım kullanılıyordu. Dinamolar pillerin yerine kullanılmak üzere icat edilmiştir. Komütatör esasen bir döner anahtardır. Makinenin şaftına monte edilmiş bir dizi kontak ile "fırça" adı verilen grafit bloklu sabit kontaklardan oluşur, çünkü bu tür ilk sabit kontaklar metal fırçalardı. Komütatör, potansiyel tersine döndüğünde sargıların harici devreye bağlantısını tersine çevirir - böylece alternatif akım yerine darbeli bir doğru akım üretilir. ⓘ
Uyarma
İlk dinamolar manyetik alan yaratmak için sabit mıknatıslar kullanıyordu. Bunlar "manyeto-elektrik makineleri" ya da manyetolar olarak adlandırılıyordu. Ancak araştırmacılar stator üzerinde elektromıknatıslar (alan bobinleri) kullanarak daha güçlü manyetik alanlar ve dolayısıyla daha fazla güç üretilebileceğini keşfettiler. Bunlara "dinamo-elektrik makineleri" ya da dinamolar adı verildi. Statorun alan bobinleri başlangıçta ayrı, daha küçük bir dinamo veya manyeto tarafından ayrı ayrı uyarılıyordu. Wilde ve Siemens tarafından gerçekleştirilen önemli bir gelişme de (1866'da) bir dinamonun, dinamonun kendisi tarafından üretilen akımı kullanarak kendi kendini uyarabileceğinin keşfedilmesiydi. Bu, çok daha güçlü bir alanın büyümesine ve dolayısıyla çok daha büyük bir çıkış gücüne olanak sağladı. ⓘ
Kendi kendine uyarılan doğru akım dinamoları genellikle seri ve paralel (şönt) alan sargılarının bir kombinasyonuna sahiptir ve bu sargılara rotor tarafından rejeneratif bir şekilde komütatör aracılığıyla doğrudan güç sağlanır. Bir elektrik şebekesindeki diğer jeneratörlerle birlikte kullanılmayan modern taşınabilir alternatif akım elektrik jeneratörlerine benzer bir şekilde başlatılır ve çalıştırılırlar. ⓘ
Çalışmadığı zaman cihazın metal çerçevesinde devam eden ve alan sargıları tarafından metal üzerine basılmış olan zayıf bir artık manyetik alan vardır. Dinamo harici bir yüke bağlı değilken dönmeye başlar. Artık manyetik alan, dönmeye başladıklarında rotor sargılarında çok küçük bir elektrik akımı indükler. Harici bir yük bağlı değilken, bu küçük akım daha sonra alan sargılarına tam olarak verilir ve bu da artık alanla birlikte rotorun daha fazla akım üretmesine neden olur. Bu şekilde, kendi kendini uyaran dinamo normal çalışma voltajına ulaşana kadar iç manyetik alanlarını oluşturur. Hem iç alanlarını hem de harici bir yükü sürdürmek için yeterli akım üretebildiğinde, kullanılmaya hazırdır. ⓘ
Metal çerçevede yetersiz artık manyetik alana sahip kendiliğinden uyarılan bir dinamo, rotor hangi hızda dönerse dönsün rotorda herhangi bir akım üretemeyecektir. Bu durum modern kendinden uyarmalı taşınabilir jeneratörlerde de meydana gelebilir ve her iki jeneratör tipi için de benzer şekilde, durdurulan jeneratörün çıkış terminallerine kısa bir doğru akım akü şarjı uygulanarak çözülür. Akü, akımın oluşturulmasını sağlamak için sargılara artık alanı basmaya yetecek kadar enerji verir. Bu, alanın yanıp sönmesi olarak adlandırılır. ⓘ
Durağan haldeyken büyük bir harici yüke bağlanan her iki tür kendinden uyarımlı jeneratör, artık alan mevcut olsa bile voltaj oluşturamayacaktır. Yük, bir enerji emici görevi görür ve artık alan tarafından üretilen küçük rotor akımını sürekli olarak boşaltarak alan bobininde manyetik alan oluşumunu önler. ⓘ
Kullanım Alanları
Tarihi
Genellikle buhar motorları tarafından tahrik edilen dinamolar, endüstriyel ve evsel amaçlarla elektrik üretmek için güç istasyonlarında yaygın olarak kullanılıyordu. O zamandan beri bunların yerini alternatörler almıştır. ⓘ
Seri ve paralel (şönt) sargılara sahip büyük endüstriyel dinamoların, rotor veya alan kabloları ya da mekanik tahrik sistemleri belirli özel kombinasyonlarda bir araya getirilmediği sürece, bir enerji santralinde birlikte kullanılması zor olabilir. Elektrik gücü için indüksiyon ve kendi kendini idame ettiren bir sistem oluşturmak amacıyla dinamoları paralel olarak çalıştırmak teorik olarak mümkün görünmektedir. ⓘ
Dinamolar motorlu araçlarda akü şarjı için elektrik üretmek amacıyla kullanılmıştır. İlk tiplerden biri üçüncü fırçalı dinamoydu. Bunların yerini yine alternatörler almıştır. ⓘ
Modern dinamolar
Yarı iletken doğrultuculu bir alternatör bu uygulamalarda verimsiz olabileceğinden, dinamolar düşük güç uygulamalarında, özellikle de düşük voltajlı DC'nin gerekli olduğu yerlerde hala bazı kullanım alanlarına sahiptir. ⓘ
Elle çalıştırılan dinamolar saatli radyolarda, elle çalıştırılan el fenerlerinde ve diğer insan gücüyle çalışan ekipmanlarda pilleri şarj etmek için kullanılır. ⓘ