ELEKTRİK MAKİNELERİ (MEP 112 (ELP211) ) Yazar: Yrd. Doç. Dr. Mustafa Turan S1

Transkript

1 ELEKTRİK MAKİNELERİ (MEP 112) Yazar: Yrd. Doç. Dr. Mustafa Turan S1

2 SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Adapazarı Meslek Yüksekokulu Bu ders içeriğinin basım, yayım ve satış hakları Sakarya Üniversitesi ne aittir. "Uzaktan Öğretim" tekniğine uygun olarak hazırlanan bu ders içeriğinin bütün hakları saklıdır. İlgili kuruluştan izin almadan ders içeriğinin tümü ya da bölümleri mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kayıt veya başka şekillerde çoğaltılamaz, basılamaz ve dağıtılamaz. Copyright 2005 by Sakarya University All rights reserved No part of this course content may be reproduced or stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means mechanical, electronic, photocopy, magnetic, tape or otherwise, without permission in writing from the University. Sürüm 1 Sakarya S 1

3 Manyetik Malzemler ve Manyetik Devreler Bu Haftanın Hedefi: Elektrik makinelerinin çalışmasını sağlayan manyetik devre parametrelerin hesaplarının kavranması hedeflenmektedir. Bu Haftanın Materyalleri Kullanılan semboller Animasyon Soru Veritabanı Bağlantılı Soru Simülasyon Püf Noktası 1

4 Manyetik Malzemeler Manyetik malzemeler 3 gurupta sınıflandırılır: 1) Diamanyetik Malzemeler Diamanyetik malzemeler çok küçük bağıl permeabilite (boşluğa oranla manyetik geçirgenlik değeri: µ r ; birimsizdir) değerlerine sahiptirler. Bu malzemeler manyetik akıyı azaltabilirler. 2) Ferromanyetik Malzemeler 2

5 Demirin belirli şekilleri ve demir ile nikel, kobalt, alüminyum ve tungsten alaşımları bu tür manyetik malzemelerdendir. Bu malzemeler yüksek değerli bağıl permeabilitelerinden dolayı kolay mıknatıslanırlar ve Ferromanyetik malzemeler olarak bilinirler. 3) Paramanyetik Malzemeler Paramanyetik malzemenin permeabilitesi; boşluğun permeabilitesine oldukça yakındır. Bu malzemelerin manyetik özellikleri hemen hemen nötrdür. Permeabilite (Manyetik Geçirgenlik) Permeabilite; manyetik akıyı geçirme kabiliyetidir. İlişki olarak; manyetik akı yoğunluğunun (B), Mıknatıslama kuvveti (Manyetik Alan Şiddeti) (H) a oranı ile ifade edilir. B nin H ile değişim eğrisine Mıknatıslanma Eğrisi denir. 3

6 İfadelere detaylı bakış: Manyetik Permeans ve Relüktans Homojen manyetik malzemeli, düzgün kesit alanı olan bir manyetik devre içerisindeki, sabit yada yavaş değişen manyetik akı yaklaşık olarak: 4

7 Burada; Fm: Manyetomotor Kuvveti (mmk); birimi [At; Amper x sarım] P : Manyetik devrenin permeansı (Manyetik iletkenliği) [wb/a.t; Weber / (Amper x sarım)] Rm: Manyetik devrenin relüktansı (manyetik direnci); [A.t/wb; (Amper x sarım) / Weber; yada 1/H; 1/Henri] İfadelere detaylı bakış: Doyma Doymanın ne olduğu B-H Eğrisinden görülür. Yandaki şekildeki gibi, belirli bir H değerinden sonra (C noktası) doyma görülür. Bu değerden sonra B de sadece çok ufak bir artış görülür, bu duruma malzemenin doymaya girmesi denir. Örneğin; aşağıdaki şekilde demir bir malzemenin dış bir manyetik alan ile tamamı ile mıknatıslandığını düşünürsek, 5

8 bu durumda, demirin tüm manyetik domenleri yönlendiği için artık dış manyetik alan artsa da, yönlenecek başka domen kalmadığı için, demir doymuştur. Doyma akı yoğunluğu (B); farklı malzemeden malzemeye farklılık gösterir. Doyma noktasında permeabilite çok küçük yada sıfırdır. Bu durum bir bobinde oluşursa, bobinin endüktansı doyma ile oldukça küçük bir değere gider. Endüktans Endüktans; bir bobinin içinden geçen akım değişimine karşı koyma özelliği olarak tanımlanır. Şayet bir bobinin endüktansı 1 Henry ve; içinden geçen akım değişimi 1 saniyede 1 Amper ise; bu bobin üzerinde 1 Volt'luk bir zıt emk (elektromotor kuvvet) endüklenir. 6

9 Burada: Endüktans Doğru Akımda devre akımınıdeğişimini yumuşatırken (nihayi değere varmasını geciktirir), sinüsoidal alternatif akımda sürekli halde devrede kendini elektrik akımına karşı güçlük çıkartan bir endüktif reaktans olarak gösterir: Histerezis Manyetik malzemelerin doğrusal olmayan mıknatıslanma özellikleri histerezis çevrimi ile karakterize edilir. H manyetik alanının artan akım ile 0'dan +Hmax değerine ulaşırsa, demir çekirdekteki akı yoğunluğu B; 0ab yolu ile kendi max değerine ulaşır. H'ı oluşturan akım sıfıra doğru 7

10 azaltılırsa akı yoğunluğu B; Br değerine düşer. Br'nin sıfırdan farklı olduğuna dikkat ediniz; bu akım olmaksızın demir çekirdekte mıknatıslanma oluşması (kalması) anlamına gelir. Hmax alanı elde edecek şekilde akım aksi yönde arttırılısa, f noktasından b' ye gelinir. Akım önce azaltılıp sonra ters yönde arttırılarak +Hmax alanı manyetik çekirdeğe uygulanırsa; b'c yörüngesi çizilir. H periyodik olarak (akım değişimi ile) Hmax ve +Hmax arasında değiştirilirse; cc' ve c'd yörüngeleri bulunur. Yeterince periyodik tekrardan sonra mıknatıslanma; sağdaki şekildeki gibi belirli bir ortalama eğri üzerinde devinime oturur ve oluşan çevrim düşeyde +Bmax ile Bmax arasında simetrik bir çevrimdir. Buna histerezis çevrimi denir. Kaçak Akılar ve Uç Etkisi Kaçak Akı Yapılış amacı gereği; elektrik makineleri manyetik akı ile çaklışan aygıtlar olarak, makinenin bir tarafında çoğu kez elektro mıknatıslanma ile manyetik akı üretilir ve amacı gerçekleştirmek üzere bu akı, karşı bir devreyi dolaşarak orada iş yapılmasına neden olur. Fakat üretilen manyetik akının bir kısmı karşı devreyi kavramadan, devresini üretildiği 8

11 bobin üzerinden tamamlar. Karşı devreden yada istenilen güzergahtan dolaşmayan bu akılara kaçak akı denir. Uç Etkisi Akı çizgileri g ile verilen hava boşluğunu atlarken, demir-hava-demir güzergahında oluşan permeabilite değişimi sebebi ile akı çizgileri kırılır, bu konu ışığın suda kırılması ile benzerdir. Diğer taraftan, akı çizgileri demir yüzeyine dik olarak çıkış ve giriş yaparlar. Bu bilgi ışığında, kenarlardaki eğrilikler ve hava aralığının geniş olması gibi sebepler ile akı çizgileri saçılır; buna uç etkisi denir. 9

12 Manyetik Devreler Manyetik Devreler ile Elektrik Devreleri Arasındaki Benzerlikler Doğal bilimlerde, birçok disiplinde kavramlar arasında benzerlikler bulunmaktadır. Örneğin elektrik devresinden akım (I) akmasına neden olan sürücü kuvvet E (emk: elektromotor kuvvet) iken, manyetik devrelerde akmasına sebep olan sürücü kuvvet F (mmk: manyetomotor; F=IN; Birimi: AmperxSarım; [A.t]) kuvvettir. Bu ilişkiler zinciri, elektrik devrelerindeki Ohm ve Kirchoff Yasalarının manyetik devrelerde de uygulanabilmesine neden olur. Elektrik devrelerinde Ohm Yasası ndaki: ilişkisinde elektrik akımına direnen devre elemanı dirençtir (R). Manyetik devrelere de uygulanabildiği belirtilen Ohm yasası gereği, direncin yerini yeni bir eleman almalıdır. Benzer şekilde manyetik akıya direnen elemana relüktans (Rm) denir. Manyetik devrelerde Ohm Yasası: olur. Kirchoff Yasaları ise: Elektrik devrelerinde; Kirchoff un Gerilim Yasası (KGY): Kapalı bir çevreye uygulanan gerilim, devre elemanları üzerine düşen gerilimlerin toplamına eşittir: 10

13 Manyetik devrelerde ise (KGY); Manyetik devreyi süren mmk, manyetik devre üzerindeki mmk düşümlerinin toplamına eşittir, şeklinde ifade edilir: KGY nin Manyetik Örneği Kirchoff un akımlar yasası (KAY): Bir düğüme gelen akımların toplamı, giden akımların toplamına eşittir: 11

14 Manyetik devrelerde ise (KAY): manyetik devrede 1 düğüme (kesişim noktası) gelen akıların toplamı, o düğümü terk eden akıların toplamına eşittir, şeklinde ifade edilir: KAY' nin Manyetik Örneği 12

15 Bu benzerliklerden yola çıkarak, manyetik devreler elektrik devrelerine benzetilerek akı, relüktans ve mmk lar kolayca hesaplanabilir. Sayısal Örnek Soru: Bir doyumlu reaktöre ilişkin magnetik devre aşağıdaki şekilde verilmiştir. Çekirdek malzemesi için B-H eğrisi iki doğru parçası şeklinde verilmiştir. I 1=2A olması halinde, bacaklarda 0.6T 'lık akı yoğunluğu oluşturmak için gerekli I 2 akımı değerini belirleyiniz. Kaçak akıları ihmal ediniz. Cevap: Devrenin elektrik eşdeğerini çizersek aşagidaki gibi olur (sağ el tirbuşon kuralını kullanarak Fm1 ve Fm2 mmk kaynaklarının yönlerini dikkatle bulunuz): 13

16 0.6T lık akı yoğunluğu için, mıknatıslanma eğrisinin 0-0.8T aralığındaki eğimi sabit olup; permeabiliteyi verecektir: Devrede değerler yerine konarak çevre denklemini yazarsak; 14