ELEKTRİK MAKİNALARI I DR. ÖĞR. ÜYESİ ENGİN HÜNER

Transkript

1 ELEKTRİK MAKİNALARI I DR. ÖĞR. ÜYESİ ENGİN HÜNER

2 İÇERİK ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ TEMEL KAVRAMLAR DC MAKİNALARA GİRİŞ DC MAKİNALARIN UYARMA ŞEKİLLERİ VE ELEKTRİKSEL EŞDEĞER DEVRELER PROBLEMLER TRANSFORMATÖRLER TRANSFORMATÖRLERİN EŞDEĞER DEVRELERİ PROBLEMLER KAYNAK KİTAPLAR ÜNİVERSİTE DERS NOTLARI (İNTERNET) PROF.DR. İBRAHİM ŞENOL ELEKTRİK MAKİNALARI I ELEKTRİK MAKİNELERİ ESASLARI GİRİŞ İTÜ ÇEVİREN HALİS DUMAN ADEM ALTUNSAÇLI ELEKTRİK MAKİNALARI I PROF.DR.FAİK MERGEN ELEKTRİK MAKİNALARI PROF.DR. TURGUT BODUROĞLU

3 ENERJİNİN DÖNÜŞÜMÜ Elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren elektrik makinesine motor, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren elektrik makinesine de generatör denir. Motor için Giriş Elk. Enerjisi Çıkış Mekanik Enerji Elk ve Many. alandan depo edilen enerji Isıya dönüşen enerji Sürtünme ve Vantilasyon Kayıpları Bakır ve Demir Kayıpları Isıya dönüşen enerji Generatör için Giriş Mekanik Enerjisi Çıkış Elk. Enerjisi Elk ve Many. alandan depo edilen enerji Isıya dönüşen enerji

4 MANYETİZMA Bir mıknatıs üzerine yerleştirilen cam veya mukavva üzerine ince demir tozları serpildiğinde, demir tozları manyetik alan çizgileri denen düzgün çizgiler üzerine toplanır.

5 MANYETİK ALAN hareket eden elektrik yüklü parçacıklar manyetik kuvvetlere yol açarlar. Manyetik kuvvetler manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alanı kuvvetin yönünü gösterecek şekilde çizilen bir dizi kuvvet çizgisi ile gösterebiliriz.

6 MANYETİK DİPOLLER Manyetik malzemelerde manyetik dipoller bulunur. (Dipol: eşit ve karşıt yüklü veya manyetize olmuş ve birbirinden uzakta bir çift kutup anlamına gelir). Manyetik dipolleri kuzey ve güney kutupları bulunan küçük mıknatıslar olarak düşünebiliriz. Manyetik alanda alanın kendi kuvveti bu dipolleri alanla birlikte yönlendirmek için bir tork uygular. örnek: manyetik kumpas iğnelerinin yerküre manyetik alanında yönlenmeleri gibi.

7 Manyetik Alan ve Manyetik Akı İçinden elektrik akımı geçen bir iletkenin çevresinde manyetik alan (H) oluşur. Bu manyetik alanın içine manyetiklik özelliğine sahip bir malzeme (mıknatıs) konacak olursa manyetik alan şiddeti daha da artar ve kuvvet çizgileri sıklaşır. Malzeme varlığından doğan ek manyetikalan artımına manyetik akı yoğunluğu (B) denir.

8 Bobinden geçen akımın oluşturduğu manyetik alan: N: sarım sayısı L: bobinin uzunluğu Boşluktaki manyetik akı yoğunluğu boşluğun manyetik geçirgenliği

9 Manyetik geçirgenlik Manyetik alan çizgilerinin ne kadar geçtiğinin bir ölçüsüdür. Havanın içine demir bir malzeme konursa havaya göre daha geçirgen (manyetik olarak) olduğu için manyetik alan çizgilerinin sıklaştığı görülmektedir.

10 Manyetik alan içine bakır, gümüş, bizmut gibi mıknatıs özelliği olmayan bir madde konulursa alan çizgileri bu maddeden geçerken birbirinden uzaklaşır; birim alandan geçen akı azalır.

11 Manyetik geçirgenlik Maddelerin manyetik alan çizgilerini seyrekleştirme ya da sıklaştırma özelliğine o maddenin manyetik geçirgenliği (µ) denir. Boşluğun manyetik geçirgenliği sabittir. Bağıl manyetik geçirgenlik ise havaya göre ne kadar geçirgen olduğunun bir göstergesidir. Yada H alanında B alanının oluşturulmasının kolaylığının bir ölçüsüdür. µ= µ0. µr (H/m)

12 Manyetik akı yoğunluğu B: manyetik akı yoğunluğu Tesla (T), weber/m^2 H: manyetik alan şiddeti Henri (H) µ : manyetik geçirgenlik Wb/Amper metre veya Henry/m H alanının geçtiği ve Bnin ölçüldüğü ortamın bir özelliğidir.

13 Maddeler bağıl geçirgenlik katsayılarına göre 3 e ayrılır. µr < 1 Diamanyetik malzemeler Bağıl geçirgenlikleri 1 den biraz küçüktür. Diamanyetik maddeler manyetik alan içine konduklarında manyetik alanı biraz zayıflatırlar. Bakır gümüş, bizmut ve karbon gibi maddeler diamanyetiktir. Diyamanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar; sadece dışardan bir manyetik alan uygulandığında mıknatıslanma olur. Diamanyetik bir malzemede dış alan olmadığında dipoller de yoktur. Manyetik alanda alan yönüne ters yönlenen dipoller oluşur.

14 µr > 1 Paramanyetik malzemeler Bağıl geçirgenlikleri 1 den biraz büyüktür. Manyetik alan içine konulduklarında manyetik alanı biraz sıklaştırırlar. Alüminyum ve mangan paramanyetiktir. Bazı katı maddelerde elektron spin ve/veya yörünge momentleri arasında tam bir silme gerçekleşmediği için her bir atom kalıcı bir dipol momentine sahiptir. güçlü bir manyetik alana paralel şekilde yönlenme olur. Paramanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar. Çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür.

15 µr >>> 1 Ferromanyetik malzemeler Bağıl geçirgenlikleri 1 den çok büyüktür. Bu maddeler manyetik alan içine konulduklarında kuvvetli olarak mıknatıslanırlar ve manyetik alan şiddetini çok arttırırlar. Bu özellikleri nedeniyle, ferromanyetik maddeler mıknatıslar, elektrik motorları, jeneratörler, manyetik teypler için idealdir. Demir, nikel, kobalt ferromanyetiktir.

16 3 tür için manyetik momentler

17 ferromanyetik malzemeler Fe, Ni ve Co dan oluşan küçük bir metal grubu çok kuvvetli manyetik özellik sergiler. Bu metaller ferromanyetik malzemelerin en iyi bilinen örnekleridir. Benzer manyetik yönlenmelere sahip atomlar komşu atomlarla birlikte manyetik domen denilen gruplarda toplanırlar.

18 Malzemelerin manyetik özellikleri Ferromanyetik bir malzemede manyetik domenler kendilerini daima bir mıknatısı çekecek şekilde yönlendirirler. Eğer bir kuzey kutup yaklaşırsa güney kutupları bu kutbu gören domenler büyür. Kuzey kutup yaklaşırsa tersi olur.

19 Domenler

20

21 Manyetik momentlerin kaynağı Elektron: hareket halinde elektrik yükü! Malzemelerin makroskopik manyetik özellikleri e- ların manyetik momentlerinin sonucudur! Her elektron iki tür manyetik momente sahip: elektronun çekirdek etrafındaki yörünge hareketi Kendi ekseni etrafında spin hareketi Net manyetik moment: bütün elektronların momentlerinin toplamı Her bir elektron kalıcı yörünge ve spin manyetik momentleri bulunan küçük birer mıknatıs olarak kabul edilebilir.

22 Domenler ve histeresiz B vs H eğrisinin eğimi geçirgenlik olduğundan, geçirgenlik H ile değişir ve ona bağlıdır. B vs H eğrisinin H=0 noktasındaki eğimi ilk geçirgenlik initial permeability) bir malzeme parametresidir.

23 Domenler ve histerisiz H alanı etkisi altında domenler şekil ve boyut değiştirirler. Başlangıçta domenlerin momentleri rastgele yönlenmiştir ve bu nedenle net bir mıknatıslanma olmaz. Dışardan uygulanan alana paralel yönlenen domenler diğerlerinden daha fazla büyür ve onların yerini alır. alan şiddetinin artması ile en sonunda parça alan ile ayni yönlenmede tek bir domen haline gelir. Bu domen H alanı ile birlikte yönlendiğinde doygunluk gerçekleşir.

24 Histerisiz (gecikme anlamına gelir) Doygunluk noktasından itibaren H alan şiddeti alanın yönü değiştirilerek azaltıldığında B-H eğrisi orijinal çizgisini takip etmez. B alanının uygulanan H alanının gerisinde kalması veya daha yavaş değişmesi ile bir histerisiz etkisi oluşur.

25 H alanı sıfırlandığında parçada hala bir miktar mıknatıslanma vardır. Buna remanens veya remanens akı yoğunluğu (Br) denir. Bir dış manyetik alan (H) olmaksızın malzeme mıknatıslanmış olarak kalır. Mıknatıslanma alan ters yönde Hc değerine ulaştığında sıfırlanır. Hc: koersif kuvvet

26 Histerisiz davranışı ve kalıcı mıknatıslanma domen sınırlarının hareketi ile açıklanabilir. Alan yönünün doygunluktan itibaren tersine döndürülmesi ile domen yapısının değişim süreci de tersine döner İlk anda, tersine dönen alanla tek bir domenin rotasyonu gerçekleşir. Daha sonra yeni alanla birlikte yönlenmiş manyetik momentleri olan domenler oluşur ve bunlar daha önceki domenlerin yerini alarak büyür. Bu mekanizmada kritik olan manyetik alanın ters yönde büyümesi sırasında domen sınırlarının hareketlenmesine direnç konusudur. B nin H değişime ayak uyduramaması ve geri kalmasının ve bir histerisiz etkisi ortaya çıkmasının nedeni bu dirençtir. Uygulanan alan sıfırlandığında yapıda hala hatırı sayılır miktarda daha önceki alana göre yönlenmiş domen bulunur. remanens (Br) bu şekilde ortaya çıkar.

27 Parçadaki alanı sıfıra düşürmek için, orijinal alanınkine ters yönde, Hc şiddetinde bir dış H alanı uygulamak gerekir. Hc ye koersivite veya koersif kuvvet denir. Ters yönde alan uygulanmasına devam edildikçe en sonunda ters yönde doygunluk elde edilir. Alanın ikinci kez yön değiştirmesiyle tekrar ilk doygunluk mıknatıslanma noktasına ulaşılır ve B-H çevrimi bir histerisiz etkisi içerecek şekilde tamamlanmış olur. Bu çevrimde negatif remanens (-Br) ve pozitif koersivite (+Hc) değerleri de mevcuttur.

28 Ferro ve ferrimanyetik malzemelerinki tipik lineer olmayan bir histerisiz davranışı iken, para- ve diamanyetik malzemelerde B nin H ile değişimi lineerdir. Yaklaşık 30 Amper sarım/metre İçin ferromanyetik malzeme 1,5 T Seviyesinde para ve dia manyetik malzeme ise 0,00005 tesla civarındadır.

29 Gerek ferro gerek ferrimanyetik malzemeler histerisiz eğrilerinin karakterine göre ya sert ya da yumuşak olarak tanımlanırlar. Histerisiz eğrisi içinde kalan alan B-H çevriminde malzemenin birim hacminde manyetik enerji kaybını temsil eder. Bu manyetik enerji kaybı malzeme içinde ısınma şeklinde gerçekleşir ve malzeme sıcaklığı artar.

30 Yumuşak manyetik malzemeler Bu nedenle histerisiz eğrisi içinde kalan alan küçük olmalıdır. Tipik olarak bu eğri ince ve dar olmalıdır. Bu durumda yumuşak manyetik malzemeler yüksek bir erken geçirgenlik ve düşük koersivite sahibi olmalıdır. Bu özelliklere sahip bir malzeme oldukça zayıf bir alan uygulaması ile doygunluk manyetizasyonuna ulaşabilir (kolayca manyetize ve demanyetize olabilir). Kolay mıknatıslanırlar. Mıknatıslanmaları kolay kaybolur. Manyetik geçirgenlikleri yüksektir. Kalıcı mıknatıslanmaları düşüktür. Yok edici manyetik alan kuvvetleri küçüktür.

31

32 Yumuşak manyetik malzemeler alternatif manyetik alanlara maruz kalan ve bu nedenle enerji kayıpları az olması gereken cihazlarda kullanılırlar. Örnek: transformatörler; elektrik motorları Demir, metal türü yumuşak manyetik malzemedir. Yumuşak manyetik malzemeler için önemli bir diğer özellik elektrik direncidir. Histerisiz enerji kayıplarına ilave olarak, manyetik malzemelerde zamanla manyetik alan şiddeti ve yönündeki değişiklikle Eddy akımları oluşur ve enerji kaybına yol açar. Yumuşak manyetik malzemelerde Eddy akım kayıplarını, elektriksel direnci arttırarak en aza indirmek isteriz. Bu nedenle Ferromanyetik malzemeler saf demir yerine katı eriyik alaşımlarından (Fe-Si ve Fe-Ni alaşımları) imal edilir.

33 Transformatör çekirdekleri Transformatör çekirdeklerinde kolayca mıknatıslanıp, bu mıknatıslanmayı kolayca kaybeden yumuşak manyetik malzemelerin kullanılması gerekir. İdeali, manyetik anizotropik olan tek kristallerin kullanılmasıdır. Ancak tek kristallerin üretimi maliyetlidir. Bunun yerine haddeleme ile yönlenme sağlanmış elektrik sacları kullanılır. Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan manyetik alana paralel olacak şekilde üretilen elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da, çekirdek kayıpları sınırlıdır.

34 Silisli demir-elektrik sacı Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan manyetik alana paralel olacak şekilde üretilen elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da, çekirdek kayıpları sınırlıdır : Fe-3Si

35 1900 da demire silisyum ilave edilmesinin yararlı olduğu anlaşıldı. %3 kadar Si sadece geçirgenliği arttırmakla kalmadı, alaşımsız demire göre koersif kuvveti de düşürdü Kütle metal çekirdekler yerine laminasyon sac plakalar kullanılarak Eddy akım hatları kesildi ve böylece çekirdek kayıpları azaltıldı. Hidrojen tavları ile karbon miktarı düşürülerek, tane çapı ayarlanarak, haddeleme ile uygun tekstür oluşturularak, tabaka levha içinde çekme gerilmeleri oluşturularak histerisiz kayıpları daha da azaltıldı. Zamanla çekirdek kayıpları 8W/kg dan 0.4W /kg seviyesine düştü.

36 Sert manyetik malzemeler

37 sert manyetik malzemeler yüksek bir remanens, koersivite ve doygunluk akı yoğunluğuna ilave olarak düşük bir erken geçirgenlik ve geniş bir histerisize sahip olmalıdır. Kalıcı manyetiklikleri yüksektir. Yok edici manyetik alan kuvvetleri büyüktür. Histerezis eğrileri uzun ve geniştir.

38

39 Bu malzemelerin uygulama alanlarında en önemli özellikler: koersivite ve enerji çarpanıdır: (BH)max B-H eğrisinin 2. çeyreği içine sığabilen en büyük B-H dikdörtgeninin alanı. Birimi kj/m3 (MGOe). (BH)max, sert bir mıknatısı demanyetize etmek için gerekli enerjiyi temsil eder.

40 Endüstride kullanılan en önemli sert ferromanyetik malzeme alnico alaşımlarıdır. (%50 si Al, Ni, Co, geri kalanı Fe). Sert manyetik malzemeler, mıknatıslanma kaybına yüksek direnç göstermesi gereken kalıcı mıknatısların imalatında kullanılırlar. Hoparlör Video kayıt cihazı TV

41 sert

42 sert

43 Neodmiyum demir bor mıknatısları Sm nadir ve pahalı bir element, Co fiyatı da değişken olduğu için Nd-Fe-B mıknatısları tercih edilen yüksek enerji mıknatısları olmuştur. Bu mıknatısların enerji çarpan değerleri Sm-Co mıknatısları ile yarışır seviyededir. İlk kez 1984 de üretilmiştir. Curie sıcaklıkları düşüktür (312 C); bu nedenle yüksek sıcaklık uygulamalarına uygun değildir. Minyatürleşmenin kritik olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

44 BH Grafiği-Mıknatıslama (doyum) Eğrisi Manyetik alan şiddetine göre manyetik akı yoğunluğunun değişimini gösteren grafik BH grafiği olarak adlandırılır. BH grafiği 3 bölge olarak incelenebilir. 1. Doğrusal bölge: H ile B doğrusal değişir. Bu bölge mıknatıslanmanın sağlandığı bölgedir. 2. Büküm bölgesi: H ile B daha az bir oranla değişim göstermektedir. 3. Doyum bölgesi: Ferromanyetik malzeme manyetik doyuma ulaşmıştır. Bu noktadan sonra H değeri ne kadar artırılırsa artırılsın B değerinde bir değişim olmaz.

45 Histerisis Çevrimi Daha önceden mıknatıslanmamış bir ferromanyetik nüveye sarılı sargılara AA uygulandığında, AA ın yükselen kenarında nüvede a-b yönünde mıknatıslanma meydana gelir. AA azalmaya başladığında H değeri buna bağlı olarak da B değeri azalacaktır. Fakat AA değeri sıfır olduğunda B değeri sıfır olmayacaktır (b-c eğrisi). Ferromanyetik malzeme üzerinde artık mıknatısiyet dediğimiz bir Br değeri olacaktır.

46 AA yön değiştirdiğinde mıknatıslanma eğrisi de yön değiştirecektir. Önce artık mıknatısiyet gidecek daha sonra c-d yönünde bir değişim meydana gelecektir. AA maksimum değerden sıfıra doğru yaklaşırken ferromanyetik malzemenin BH eğrisi d-e yönünde olacaktır.

47 AA ın tekrar pozitif olması durumunda eğri e-b yönünde değişecektir. Bundan sonra BH eğrisi b-cd-e yönünde değişim gösterecektir. b-c-d-e kapalı çevrimi histerisiz çevrimi olarak adlandırılmaktadır. Histerisiz çevrimin oluşumunu anlamak için ferromanyetik malzeme yapısını incelemek gerekir. Ferromanyetik malzemelerin atom yapıları aynı yönde manyetik alana meyillidir. Bu malzemeler domain olarak adlandırılan çok küçük bölgelerden meydana gelir. Her domain içinde atomlar manyetik alanları ile aynı yönde sıralanırlar. Böylece her domain bir mıknatıs parçası olarak görev yapar.

48 Mıknatısiyetin Giderilmesi Ferromanyetik malzemeler ancak dış etkiler ile mıknatıslık özelliklerini tamamen kaybederler. Bu dış etkenler: 1. Ters yönde bir manyetomotor kuvveti uygulanması 2. Büyük bir mekanik darbe uygulanması 3. Aşırı ısınma

49 Elektrik makinalarında temel kanunlar 1. Faraday Kanunu: Bir devrede indüklenen emk (elektromotor kuvvet), devreden geçen manyetik akının zamana göre değişimi ile doğru orantılıdır. ε: İndüklenen emk (volt) φ : Manyetik akı (weber) t : Zaman (saniye) N sarım sayısı ise ε = dφ dt ε = N dφ dt

50 2. Lenz Kanunu : Manyetik akının değişimine bağlı olarak üretilen emk faraday kanunu göre açıklanır. Halka bir iletkenin içindeki indüklenen manyetik akı ise her zaman sabit olmak ister bundan dolayı indüklenen alan her zaman değişime zıt olur.

51 Mıknatıs ve İletken Bobin -Yandaki şekilde mıknatıs çubuk iletkenin içine doğru hareket ettirildiğinde -Manyetik akının değişiminden dolayı bir gerilim indüklenir (Faraday Kanunu) - Mıknatıs halka iletkene doğru yer değiştirirken galvanometre sola doğru alanı destekler yönde hareket edecektir. - Mıknatıs halka iletkenin dışına doğru hareket ederken ise sağa doğru alanı zayıflatacak şekilde hareket edecektir. - Bu özellik üretilen manyetik alanı Lenz kanununa göre bize açıklar.

52 3. Bio-Savart Kanunu: Manyetik alan içine yerleştirilen bir iletkenden akım geçirildiğinde iletkene dik bir kuvvet etkir. Bu kuvvet iletkeni manyetik alan içinde hareket ettirmeye çalışır. i: iletkenin içindeki akım (amper) l: iletkenin uzunluğu B: manyetik akı yoğunluğu vektörü F = Bxl i Elektrik makinalarında hareketi sağlayan F kuvvetidir. Bu kuvvete elektromanyetik kuvvet veya lorentz kuvveti denir. 4. Amper Yasası: kapalı bir kuvvet çizgisi (akı çizgisi) boyunca, alan şiddetlerinin bu çizgi üzerindeki izdüşümlerinin toplamı bu kapalı çizginin tarif ettiği düzlemden dik açı ile geçen amper sarımların toplamına eşittir. Hl = NI

53 Fleming Sol el kuralı Motor için kullanılır John Ambrose Fleming

54 Ferromanyetik Nüvedeki Enerji Kayıpları 1.Histerisis Kayıpları: Demir içinde domainlerin yönünü değiştirmek için gerçekte bir enerjiye gerek duyulması, bütün makinalarda ve transformatorlarda ortak olan bir enerji kaybına neden olur. Bir demir nüveye uygulanan alternatif akımın her bir saykılı boyunca domainlerin yön değiştirmesi için harcanan enerjiye histerisis kayıpları denir. Histerisis çevrimini, nüveye uygulanan alternatif akım şekillendirir ve histerisis çevriminin alanı her bir saykıldaki enerji kayıpları ile oranlıdır. Ph histerisis kayıplar (W), Kh bir sabit olup manyetik malzemeye bağlıdır, n değeri deneysel olarak bulunur ve arasında alınır, V nüvenin hacmidir (m3).

55 2.Eddy (girdap) Akımı Kayıpları: Nüve içinde değişen manyetik alanlar tarafından üretilir. Faraday kanununa göre; zamanla değişen akı, nüve etrafına sarılı sargılarda bir gerilim endüklediği gibi manyetik bir nüve içersinde de bir gerilim endükler. Bu gerilimler nüve içersinde akımın bir halka şeklinde dolaşmasına neden olurlar. Bu olay su akıntısındaki girdaplara da benzetilir ve ismini de oradan almıştır.

56 Eddy akımları demir nüve gibi rezistif (omik) özelliği olan malzemeler içinden akarlar ve enerji nüve içinde ısı şeklinde harcanır. Eddy akımları yüzünden kaybolan enerji miktarı eddy akımlarının nüve içersinde izledikleri yolların boyutları ile orantılıdır. Bu sebepten dolayı değişen akıya maruz kalan ferromanyetik nüvenin bir çok ince levhalardan yapılması ve levhaların bir yüzünün silikon ile yalıtılması artık klasik bir tekniktir. Silisli saclardan yapılan nüvede eddy akımları için akım yolları çok kısaltılarak yol direnci artırılır ve böylece eddy akımı ile beraber eddy kayıpları da azaltılır. Birim hacim başına eddy akımı güç kayıpları: Birim hacim başına Nüvenin toplam eddy akımı güç kayıpları t1 sac levha kalınlığı, Ke manyetik malzemenin iletkenliğine bağlı sabit. V manyetik nüvenin hacmidir (m3).