ALTERNATİF AKIMIN DENKLEMİ

Transkript

1 1 ALTERNATİF AKIMIN DENKLEMİ

2 ALTERNATİF AKIM Lineer ve Açısal Hız Lineer ve Açısal Hız Lineer hız v, lineer(doğrusal) yer değişiminin(s) bu sürede geçen zamana oranı olarak tanımlanır. Lineer hızın birimi m/s dir. Doğru bir çizgide meydana gelen hareket için lineer hız aşağıdaki gibi yazılır. Lineer hız v = Yer değişimi = s (m/s) Zaman değişimi t Bir tekerleğin veya milin dönüş hızı genellikle dakikada devir (d/d) veya saniyede devir sayısı (d/s) olarak ölçülür ancak bu birimler tutarlı bir birim sisteminin parçası değildir. SI sisteminde birim, bir saniyede döndürülen/dönülen açı (rad/s) dır. 2

3 ALTERNATİF AKIM Lineer ve Açısal Hız Açısal Hız, bir merkez etrafındaki dönme hızını ifade eder. ω ile gösterilir ve zamana (t) göre açısal değişim (θ) olarak tanımlanır. Sabit bir hızda sabit bir eksen etrafında dönen bir nesne için açısal hız aşağıdaki gibi yazılabilir. Açısal hız ω = Yer değişimi Geçen Süre = θ t (rad/s) Açısal hızın birimi, saniyede radyan (rad/s) şeklindedir. Saniyede n devir hızda dönen cisim bir saniyede 2πn radyan açısı yol alır, yani açısal hızı ω şu şekilde verilir: Açısal hız ω = 2π. n (rad/s) 3

4 ALTERNATİF AKIM Lineer ve Açısal Hız Yer değişimi s = r. θ denkleminde açı değişimi θ = ω. t yerine konulup s = r. ω. t denklemi ile s = v. t denklemi eşitlenerek r. ω. t = v. t den açısal hız ile lineer hız arasındaki ilişki aşağıdaki denklem şeklinde yazılır. Lineer hız Lineer hız = Açısal hız. Yarıçap v = ω. r v r v Dönüş ekseni 2 f f=devir sayısı S r r v Lineer ve Açısal hız 4

5 ALTERNATİF AKIM Lineer ve Açısal Hız Örnek: 540mm çapa sahip bir çark 1500 d/d hızla dönmektedir. Çarkın açısal hızını ve π çarkın kenarındaki bir noktanın lineer hızını hesaplayın. Verilenler Çarkın çapı d = 540mm = 0, 54m Çarkın devir sayısı n = 1500 π 1500 d/d = d/s 60.π Açısal hız Lineer hız ω = 2π. n = 2π π ω = 50 rad/s n = 2π. n = 50. 0, 27 v = 13, 5m/s 5

6 ALTERNATİF AKIM Lineer ve Açısal Hız Örnek: 64, 8km/h hızla gitmekte olan bir araba 600mm tekerlek çapına sahiptir. Tekerleklerin rad/s ve d/d cinsinden açısal hızını bulunuz. Verilenler Tekerlek çapı d = 600mm = 0, 60m Tekerleğin lineer hızı v = 64, 8d/d = 64, v = 18m/s Açısal hız(rad/s) Açısal hız ω = v r = 18 0,3 ω = 60rad/s n = ω 2π = 60 2π n = 9, 549 devir s = 572, 958 d/d 6

7 ALTERNATİF AKIM Genel Tanımlar Ani ve Maksimum Değerler Ani ve Maksimum Değerler Alternatif akımın elde edilişi incelendiğinde iletkenin 90 ve 270 lik dönme hareketinin sonunda maksimum emk nın indüklendiği görülür. Alternatif akımın en büyük bu değerlerine Tepe Değeri ya da Maksimum Değer denir. Maksimum değer emk ı için E m, gerilim için U m ve akım için I m sembolleri kullanılır. Alternatif akımın maksimum ve ani değerleri 7

8 ALTERNATİF AKIM Genel Tanımlar Ani ve Maksimum Değerler Alternatif akım, değeri zamanla değişen akımdır. Alternatif akımın herhangi bir andaki değerine Ani Değeri denir. Emk için ani değer e, gerilim için u ve akım için i ile gösterilir. Ani değerlerin en büyüğü maksimum değerdir. E m değeri, iletkenin kuvvet çizgilerine dik hareket etmesi halinde indüklenen emk dır. Emk manyetik alnın endüksiyonuna (B), iletkenin manyetik alan içindeki boyuna (l) ve iletkenin hızına (v) bağlıdır. E m = B. l. v (V) E m, indüklenen maksimum emk (volt) B, manyetik endüksiyon (tesla) l, İletkenin manyetik alan içindeki boyu (metre) v, iletkenin hızı(m/s) 8

9 ALTERNATİF AKIM Genel Tanımlar Alternatif Akımın Denklemi Alternatif Akımın Denklemi Alternatif akım, alternatif gerilim ile beraber değişim gösterir. Alternatif akım, zamanın bir fonksiyonu olarak aşağıdaki denklemler ile matematiksel olarak açıklanabilir. Emk nın ani değeri, açısının sinüsü ile değişir. Emk nın herhangi bir açı (α) değerindeki ani değeri; e = E m. sinα olarak yazılır. 9

10 ALTERNATİF AKIM Genel Tanımlar - Alternatif Akımın Denklemi Radyan ve Açısal Hız Kavramı Açısal hız; bir cismin (iletkenin) dairesel bir yörünge üzerinde birim zamanda kat ettiği açı cinsinden yoldur. Açısal hız, ω ile gösterilir ve birimi radyan/saniye (rad/s) dir. Radyan, bir dairede yarıçap uzunluğundaki yay parçasını gören merkez açıya eşit açı ölçme birimidir. 1 radyan 180 ya da yaklaşık 57,2958 dir ( ). π Radyan ile derece arasındaki dönüşüm aşağıdaki denklemde olduğu gibidir. D 180 = R π π rad = rad = 57, 295 Dairesel bir yörüngede meydana gelen hareketlerde açı olarak Radyan (R) kullanılır. Açısal hız ile frekansın ilişkisi ω = 2π T = 2π. f (rad/s) dir. Radyanın tanımının görsel ifadesi ve π (pi) ile ilişkisi 10

11 ALTERNATİF AKIM Genel Tanımlar - Alternatif Akımın Denklemi Radyan ve Açısal Hız Kavramı Ani değer denkleminde elektrik açısı yerine açısal hızını kullanırsak α = ω. t olduğundan emk nın herhangi bir t (zaman) anındaki ani değeri; e = E m. sinωt dır. Açısal hız yerine konularak e = E m. sin2πft yazılır. Bu durumda alternatif akım ve gerilim denklemleri de; i = I m. sinωt (Akım için ani değer denklemi) e, emk nın ani değeri(volt) E m, emk nın maksimum değeri(volt), açısal hız(radyan/saniye) t, zaman(saniye) u = U m. sinωt (Gerilim için ani değer denklemi) 11

12 ALTERNATİF AKIM Ani Değer Denklemi i, u i, u I m,u m Pozitif Maksimum I m,u m Pozitif Maksimum /4 3 /2 2 t (rad) ( ) Negatif Maksimum I m,u m Negatif Maksimum I m,u m Zaman değeri verilmiş i = I m. sinωt=i m. sin2πft u = U m. sinωt = U m. sin2πft Açı değeri verilmiş i = I m. sinα u = U m. sinα Alternatif akımın ani değer denklemleri 12

13 ALTERNATİF AKIM Hesap Makinesi Kullanımı1 *Hesap Makinesi Kullanımı: Hesap makinesi (CASIO fx-82es) SHIFT MODE 3 tuşlarına basılarak Dereceye ayarlanır. Bu durumda hesap makinesi ekranında (D) simgesi görülür. Hesap makinesinde (CASIO fx-82es) SHIFT MODE 4 tuşlarına basılarak Radyana ayarlanır. Bu durumda hesap makinesi ekranında (R) simgesi görülür. Hesap Makinesine Reset Atma SHIFT 9 3 = = 13

14 ALTERNATİF AKIM Hesap Makinesi Kullanımı2 Derece Radyan arasındaki ilişki D 180 = R π Dereceyi Radyana dönüştürme: Verilen ifade π 180 ile çarpılarak sonuç elde edilir. 30 = π 6 rad 45 = π 4 rad 60 = π 3 rad 90 = π 2 rad 180 = π rad Radyanı Dereceye dönüştürme: Verilen ifade 180 π ile bölünerek sonuç elde edilir. π 3 3π 4 rad = 60 3π rad = 135 π 2 4 rad = 270 rad = 45 14

15 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Denklemi Örnek1 Örnek1: Frekansı 50Hz olan bir alternatör maksimum değeri 170V olan alternatif bir emk üretmektedir. Üretilen emk nın denklemini yazarak, =30 deki ani değerini ve t=0,002sn deki ani değeri bulunuz. Verilenler U m =170V 50Hz =30 t=0,002sn ÖNEMLİ NOT: Açı( ) değeri verilmiş olanlarda hesaplamalar DERECE de (D), Zaman(t) verilmiş olanlarda hesaplamalar RADYAN da (R) yapılacaktır. Açısal Hız ω = 2. π. f = 2. π. 50 = 100. π rad/sn Gerilimin ani değer denklemi radyan çözümü için e = E m. sinωt = 170. sin100πt Gerilimin ani değer denklemi derece çözümü için e = E m. sinα 15

16 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Denklemi Örnek1 Devam = 30 deki ani değeri için e = E m. sinα = 170. sin30 = 85V olur. Çözüm için hesap makinesinde (CASIO fx-82es) derecede işlem X sin 3 0 ) t = 0,002sn deki ani değeri için radyan çözüm e = 170. sin100. π. t = 170. sin 100. π. 0, 002 R e = 170. sin(0, 2. π) R = 99, 923V Çözüm için hesap makinesinde (CASIO fx-82es) radyanda işlem X sin X ) 16

17 ALTERNATİF AKIM Hesap Makinesi Kullanımı3 *Hesap Makinesi Kullanımı: Sinüsü verilmiş olan ifadenin açısının derece cinsinden bulunması SHIFT sin değer ) Kosinüsü verilmiş olan ifadenin açısının derece cinsinden bulunması SHIFT cos değer ) Tanjant değeri verilmiş olan ifadenin açısının derece cinsinden bulunması SHIFT tan değer ) 17

18 ALTERNATİF AKIM Hesap Makinesi Kullanımı4 *Hesap Makinesi Kullanımı: Derece cinsinden açının Radyana dönüştürülmesi (Hesap makinesi Radyanda olmalıdır) değer SHIFT ANS 1 Radyan cinsinden açının Dereceye dönüştürülmesi (Hesap makinesi Derecede olmalıdır) değer SHIFT ANS 2 18

19 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Denklemi Örnek2 Örnek2: Maksimum değeri 10A olan bir alternatif akımın frekansı 50Hz dir. Bu akımın sıfırdan başlayıp 8A lik ani değere ulaşması için geçecek zamanı bulunuz. Verilenler I m = 10A f = 50Hz t anındaki ani değeri i = 10A Radyanlı çözüm için i = I m. sinωt = 10. sin(2. π. 50. t) i = 10. sin(100. π. t) = 10. sinα Yukarıda yazılı eşitliğe göre 100. π. t = α (rad/sn) Derece çözüm için 8 = 10. sinα sinα = 0, 8 Sinüsü 0,8 olan açı değeri hesap makinesi ile sinα = 0, 8 α = 53, 13 SHIFT sin 0 8 ) 19

20 ALTERNATİF AKIM Genel Tanımlar Açı değeri radyan cinsinden ifade edilirse; α = 53, 13 α = 0, 927 R olarak yazılır. Buradan genel ani değer denklemi ile eşitlenerek; 100. π. t = α 100π. t 0, 927 t = 0, 00295sn Çözüm için hesap makinesinde (CASIO fx-82es) radyanda işlem 5 SHIFT ANS 1 20

21 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Denklemi Örnek3 Örnek3: Frekansı 50Hz olan bir alternatif gerilimin maksimum değeri 120V ise bu gerilimin denklemini bulunuz. Verilenler f = 50Hz U = 120V Gerilimin denklemi u = U m. sinωt = 120. sin(2π. 50. t) u = 120. sin(100. π. t) Um=120V i,u t (s) f=50hz T=0,02s 21

22 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Denklemi Örnek4 Örnek4: Maksimum değeri 100V, frekansı 50Hz olan alternatif gerilimin 1msn deki ani değerini hesaplayınız. Verilenler U m = 100V f = 50Hz t = 1ms Gerilimin denklemi u = U m sinωt = 100. sin(2. π. 50. t) u = 100. sin(100. π. t) u Um=100V t=1msn deki ani değer (Radyan çözümü) u = 100. sin(100. π. t) = 100. sin 100. π. 0, 001 R u = 100. sin 0, 1. π R = 30, 902V Ut=30,902V 1ms 5ms 10ms 15ms 20ms t (s) f=50hz T=0,02s 22

23 ALTERNATİF AKIM Genel Tanımlar Çözüm için hesap makinesinde (CASIO fx-82es) radyanda işlem X sin 2 X SHIFT X10 X 5 0 X ) Çözüm için hesap makinesinde (CASIO fx-82es) radyana almadan işlem X sin ( 2 X SHIFT X10 X 5 0 X ) SHIFT Ans 2 ) 23

24 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Denklemi Örnek5 Örnek5: Maksimum değeri 10A olan bir sinüssel alternatif akımın frekansı 50Hz dir. Akım sıfırdan başlayarak 1/100sn ve 1/200sn deki değerlerini bulunuz. Akımın denklemi i = I m sinωt = 10. sin(2. π. 50. t) i = 10. sin(100. π. t) i t=1/100sn deki ani değer i = 10. sin 100. π. t = 100. sin 100. π. i = 10. sin π R = 0A (Sıfırı kestiği nokta) R i2=10a i1=0a 5ms 10ms 15ms 20ms t (s) f=50hz T=0,02s 24

25 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Denklemi Örnek6 Örnek6: Frekansı 50Hz olan bir alternatör, maksimum değeri 169,73V olan alternatif bir emk üretmektedir. Üretilen emk nın denklemini yazarak =135 deki ani değerini ve t=0,012sn deki değerini bulunuz. Emk denklemi e = E m sinα = 169, 73. sin135 e = E m sinωt = 169, 73. sin2π. 50. t e = 169, 73. sin100πt α=135 deki ani değer e = 169, 73. sin135 = 120, 017V t=0,012sn deki ani değer e = 169, 73. sin100πt = 169, 73. sin 100. π. 0, 012 R e = 99, 765V 25

26 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Denklemi Örnek6 Um=169,73V u1=120,017v i,u Um=169,73V i,u t (s) 0 12ms 15ms 20ms t (s) u2=-99,765v 5ms 10ms f=50hz T=0,02s Sinyalin α = 135 deki ani değeri f=50hz T=0,02s Sinyalin t = 12ms deki ani değeri 26

27 ALTERNATİF AKIM Alternatif Akımın Denklemi Çalışma Soruları Çalışma Soruları: Örnek1: Çıkışından frekansı 1kHz ve maksimum değeri 7,5V olan alternatif gerilim veren sinyal jeneratörünün geriliminin denklemini yazarak =30 deki ani değerini ve t=10msn deki değerini bulunuz. Örnek2: Bir alternatörde üretilen 60Hz frekanslı sinüsoidal emk in maksimum değeri 100V tur. Emk in açısal hızını ve 0,005sn deki ani değerini hesaplayınız. Örnek3: Ani değer denklemi u = 150sin300t olan gerilimin 80V luk ani değere ulaşması için geçen süreyi bulunuz. 27

28 28 ALTERNATİF AKIMIN ORTALAMA VE ETKİN DEĞERLERİ

29 ALTERNATİF AKIM Ortalama ve Etkin Değerler Ortalama Değer Bir saykıldaki ani değerlerin ortalamasına alternatif akımın ortalama değeri denir. Gerilimin ortalama değeri U or ve akımın ortalama değeri I or ile gösterilir. Bir saykıldaki ani değerler toplanıp alınan ani değer sayısına bölünürse ortalama değer elde edilir. U or = u 1+u 2 +u 3 + +u n n I or = i 1+i 2 +i 3 + +i n n Gerilimin ortalama değeri Akımın ortalama değeri Alternatif akımın ortalama değeri 29

30 ALTERNATİF AKIM Ortalama ve Etkin Değerler I or = 0,1736+0,5+0,766+0, ,9397+0,766+0,5+0, = 0, 6398A Alternatif akımın yarı saykılı için sonsuz sayıda ani değer alınırsa ortalama değer; 2/π = 0, 636. I m şeklinde elde edilir. I or = 0, 636. I m (Akımın ortalama değeri) U or = 0, 636. U m (Gerilimin ortalama değeri) 30

31 ALTERNATİF AKIM Ortalama ve Etkin Değerler Etkin Değer Doğru akımın yaptığı işe eşit iş yapan alternatif akımın doğru akıma eş olan değerine etkin değer adı verilir. Doğru akımın yaptığı iş W = I 2 Rt formülünden görüldüğü gibi akımın karesine bağlıdır. Alternatif akımın yaptığı iş de ani değerlerin karesiyle ilgili olacaktır. Alternatif akımın etkin değeri ani değerlerin karelerinin ortalamasının karekökü olarak tanımlanır. I = U = i 1 2 +i 2 2 +i i2 n n u 1 2 +u 2 2 +u u2 n n (Akımın Etkin Değeri) (Gerilimin Etkin Değeri) 31

32 ALTERNATİF AKIM Ortalama ve Etkin Değerler Etkin değer hesabında ani değerlerin kareleri alındığından negatif ani değerlerin kareleri de pozitif olur. Bu nedenle alternatif akımın bir saykılı için etkin değeri sıfır olmaz. I = 0, ,5 2 +0, , , , ,5 2 +0, I = 0, 7071A olarak elde edilir. 9 Alternatif akımın etkin değeri 32

33 ALTERNATİF AKIM Ortalama ve Etkin Değerler Eğer sonsuz sayıda ani değer alınırsa 1 2 = 0, 707 olarak elde edilir. Buradan akımın ve gerilimin etkin değeri; I = 0, 707. I m ve U = 0, 707. U m olarak yazılır. Önemli Not: Alternatif akımda voltmetre ve ampermetreler etkin değeri gösterirlerken doğru akımda ortalama değeri gösterirler. Herhangi bir dalga şekline ait ortalama ve etkin değer ifadeleri aşağıdaki formüllerle elde edilebilir. Ortalama Değer I ort = 1 T i(t) dt T 0 Etkin Değer I = 1 T 2 i(t) dt T 0 33

34 ALTERNATİF AKIM Ortalama ve Etkin Değerler Örnek: Maksimum değeri 12A olan akımın ortalama ve etkin değerini hesaplayınız. Ortalama değer I ort = I m. 0, 636 = 12. 0, 636 = 7, 632A Etkin değer I = I m. 0, 707 = 12. 0, 707 = 8, 484A 34

35 ALTERNATİF AKIM Ortalama ve Etkin Değerler Örnek: Şehir şebekesinin gerilimi 220V olduğuna göre; a. Maksimum değeri; b. Ortalama değeri bulunuz. Önemli Hatırlatma: Soruda verilen 220V luk gerilim değeri etkin değeri ifade eder. Alternatif gerilimde gerilimin değeri etkin değer olarak verilir. a) Maksimum değer U m = b) Ortalama değer U = 220 0,707 0,707 = 311, 174V U ort = U m. 0, 636 = 311, , 636 = 197, 907V 35

36 ALTERNATİF AKIM Ortalama ve Etkin Değerler Çalışma Soruları Örnek1: Etkin değeri 220V ve frekansı 50Hz olan alternatif gerilimin t=1msn deki ani değerini hesaplayınız. Örnek2: Maksimum değeri 10A olan sinüssel alternatif akımın frekansı 50Hz dir. Bu akımın 1/100sn ve 1/250sn deki ani değerlerini hesaplayınız. Örnek3: i = 1, 8 sin 314t şeklinde ani değer denklemine sahip olan akımın 1,2A lik ani değere ulaşması için geçen süreyi bulunuz. Örnek4: Bir devrede direnç üzerinde düşen gerilim 56,56V olarak ölçülüyor. 50Hz lik frekansa sahip olan bu gerilimin 16,5msn deki ani değerini bulunuz. 36

37 Deneysel Çalışma2 Çıkışından frekansı 1kHz ve maksimum değeri 10V olan alternatif gerilim veren sinyal jeneratörünün geriliminin denklemini yazınız; etkin ve ortalama değerlerini bulunuz. f = 1kHz U m = 10V Hesaplamalar: Sinyalin denklemi u = U m. sinωt = 10. sin(2. π t) u = 10. sin(2000. π. t) Ortalama değer U ort = U m. 0, 636 = 10. 0, 636 = 6, 36V Etkin değer U = U m. 0, 707 = 10. 0, 707 = 7, 07V 37

38 Deneyin Yapılışı 1. Gerekli deney bağlantısını yapınız. 2. Sinyal jeneratöründen gerilimi, maksimum değeri 15V olacak şekilde ayarlayınız. 3. Osiloskop ekranından ekran görüntüsünü kaydediniz. 4. Osiloskop yardımıyla maksimum gerilimi, sinyalin periyodunu hesaplayınız. 5. Multimetre yardımıyla ortalama ve etkin değerleri ölçerek hesaplanan sonuçlarla karşılaştırınız. 38

39 Deneyden elde edilen veriler Giriş sinyalinin osiloskop ekran görüntüsü Volts/div Dikey kare Time/div Yatay kare Periyot Frekans Hesaplanan değer Ölçülen değer Etkin değer Ortalama değer 39

40 KAYNAKLAR YAĞIMLI, Mustafa; AKAR, Feyzi; Alternatif Akım Devreleri & Problem Çözümleri, Beta Basım, Ekim 2004 MARTI, İ. Baha; GÜVEN, M. Emin; COŞKUN, İsmail; Elektroteknik Cilt I, 1998 MARTI, İ. Baha; GÜVEN, M. Emin; Elektroteknik Cilt II, 1998 RIEDEL, Susan A; NILLSON, James W; Elektrik Devreleri, Palme Yayıncılık, Ankara 2015 BIRD, John; Higher Engineering Mathematics 5. Edition,