Elektromekanik Enerji Dönüşümü Manyetik Alan ve Temel Yasalar

Transkript

1 Elektromekanik Enerji Dönüşümü Manyetik Alan ve Temel Yasalar Elektrikli veya Hibrid Taşıtlar Robot teknolojilerinde ve otomasyon uygulamalarında adım motorları, servo motorlar ve diğer bazı özel motorlar kullanılmaktadır. Mekanik bir hareketin gerektiği ve bunun kontrolü için elektriğe gerek duyulan her uygulamada elektrik motorları mutlaka vardır. 1

2 Elektriğin Üretimi Elektrik enerjisinin üretilmesinde büyük oranda senkron makinalar yani senkron generatörler kullanılır. Rüzgar türbinleri veya mini yada mikro santrallerde de asenkron generatör kullanılabilir. 2

3 Evlerdeki kullanım Elektrik süpürgeleri, saç kurutma makinaları, fanlar, vantilatörler, çamaşır makinaları, bulaşık makinaları, buzdolabı, küçük ev aletleri Küçük cihazlarda ÜNİVERSAL makinalar, büyüklerinde 1FAZ Asenkron Motorlar kullanılır. 3

4 Birim ve Ölçü Bilgisi Mekanik Açı Enerji Kuvvet Kütle Güç Açısal Hız Isıl Isı Güç Özgül Isı Derece Isıl İletkenlik Elektrik ve Magnetik Enerji Frekans İnduktans Güç Mahnetik Alan Magnetik Akı Magnetik Akı Yoğunluğu Magnetomotor Kuvvet Manyetik Alan Kavramı Manyetik alanlar, enerjinin bir şekilden motor, generatör ve transformatör gibi bir başka şekle dönüştürüldüğü temel mekanizmadır. 4

5 Manyetik alan iki şekilde üretilir. 1. Sürekli (Kalıcı) Mıknatıslar (Doğal Mıknatıslar) 2. Elektromıknatıslar Üretilen bu alanda ; Elektrik akımı üretmek için bir harekete (generatör) Hareket üretmek için bir elektrik akımına gerek vardır (motor) Motor : Elektrik Mekanik Generatör : Mekanik Elektrik Transformatör : Elektrik Elektrik 5

6 Elektrik Makineleri, aslında tipik bir elektromıknatıs tır. Elektrik makinelerinin çalışmasını anlayabilmek için, öncelikle elektromıknatısın çalışma şeklini bilmek gerekir. Dolayısıyla elektromanyetizmanın esasını bilmek gerekir. Bunun için öncelikle MANYETİK ALAN (Magnetic Field) kavramını öğrenmek gerekir. Akım taşıyan bir iletkenin etrafında soldaki şekilde görüldüğü gibi manyetik alan meydana gelmektedir. Bu dairesel olarak genişleyen alan, uzaklaşıldıkça şiddetini kaybetmektedir. Alan çizgilerinin yönü ise SAĞ EL kuralı ile tespit edilir. 6

7 Doğal mıknatısın etrafında oluşan manyetik alan çizgileri Elektromıknatıs Nedir.?? Bobin şeklinde bir çekirdek (nüve, core) etrafında sarılmış iletkene bir doğru gerilim uygulanması ile elde edilir. Alanın oluşturan manyetik akı çizgilerinin yönü uygulanan doğru gerilim ve akımının yönü ile ilişkilidir. Aynı zamanda manyetik alanın daha güçlü ve büyük olması bu akımın şiddetine bağlıdır. Bobinin merkezi (sarıldığı nesne) çekirdek olarak adlandırılır. Aşağıdaki şekilde HAVA çekirdek olarak kullanılmıştır. 7

8 Çekirdek olarak hava yerine demiri kullanırsak ne olur???? Hava ile karşılaştırıldığında manyetik akının iletilmesinde demirin daha iyi bir iletken olduğu biliyoruz. Dolayısıyla nüve olarak demir bir çubuk kullandığımızda, yani bakır teli demir bir nüve etrafında sardığımızda ve telden akım geçirdiğimizde, elde edilecek manyetik akı çizgileri daha keskin yani manyetik alan daha şiddetli olacaktır. Peki bu manyetik alanı daha da şiddetli yapabilirmiyiz.? Böylece daha kuvvetli bir mıknatıs (elektromıknatıs) elde edebiliriz.. Akım taşıyan iletken telin etrafında oluşan dairesel ve akıma göre dik olduğundan dolayı, bu manyetik alanı kuvvetlendirmek için en kolay yolu daha fazla tel sarmaktır. Yani sarım sayısını arttırmaktır. DC Elektromıknatıstaki bu manyetik alanın gücü bobindeki sarım sayısı arttırılarak yükseltilir. Ne kadar güçlü bir manyetik alan elde etmek istiyorsak, o kadar fazla sayıda sarım yapmak zorundayız. 8

9 Temel Manyetik Yasalar 4 esas 1. İçinden akım akan bir telin çevresinde bir manyetik alan oluşur. 2. Zamanla değişen bir manyetik alan, eğer bir sargıyı keserse yani bu bu sargı alanın içinde yer alıyorsa bu sargılarda gerilim indüklenir. Bu olay TRANSFORMATÖR ün temel esasını oluşturmaktadır. 3. Akım taşıyan bir iletken, bir manyetik alan içerisinde bulunursa iletkende bir kuvvet indüklenir. Bu olay MOTOR un temel esasını oluşturmaktadır. 4. Manyetik alan içerisindeki bir iletken tel hareket ettirilirse üzerinde bir gerilim indüklenir ve telden akım akar. Bu olay GENERATÖR ün temel esasını oluşturmaktadır. 9

10 Temel Postula (Manyetik Alan Nasıl Üretilir?) Magnetik alanın elektriksel davranışını yöneten temel postula Amper Yasası tarafından açıklanmaktadır. Bu yasa içinden akım geçen bir telin oluşturduğu magnetik alanı formulize eder. magnetik alanın gelişigüzel seçilen bir yolun çevresindeki çizgisel integrali, bu yolun çevrelediği net elektrik akımıyla orantılıdır 10

11 Right-Hand Rule BAŞPARMAK : Akım yönü PARMAKLAR : Akı veya manyetik alan yönünü göstermek üzere iletken etrafına sarılır. Yada bir nüveye sarılı akım geçen telde ise parmaklar ile akım yönü gösterilirse başparmak manyetik alanı gösterir. Sağ-El Kuralı 11

12 Temel Magnetik Kavramlar Magnetik Alan Şiddeti [H] A/m MMK H Amper.(Tur) Metre MMK (Magneto Motor Kuvvet), Amper, Amper tur, Amper sarım l : Magnetik Devrenin Uzunluğu, metre İçinden 50 A geçen bir telin etrafındaki 5 cm yarıçaplı daire içindeki magnetik alan yoğunluğu :? H MMF 2 50A 2 (0.05m) 159A / m Temel Magnetik Kavramlar Magnetik Akı Yoğunluğu [B] Tesla B A : Magnetik Akı Yoğunluğu, [T, Tesla], T=Wb/m² : Magnetik Akı [Wb, Weber], Wb=Volt.saniye : Kesit alanı [m²] Şekildeki devredeki magnetik akı yoğunlu? 12

13 13

14 Magnetik Devrelerin Devre Analojisi-1 14

15 Magnetik Devrelerin Devre Analojisi-2 15

16 Magnetik Devrelerin Devre Analojisi-3 16

17 Ferromanyetik Malzemelerin Manyetik Davranışları B=µ.H Ferromanyetik malzemelerin manyetik geçirgenliği havanın manyetik geçirgenliğinden 6000 kat daha fazla olabilmektedir. Manyetik geçirgenlik, malzemeye uygulanan manyetomotor kuvvetten bağımsız ve sabit kabul edilmiştir. Ancak, boşluğun manyetik geçirgenliği sabit olmakla birlikte demir ve diğer ferromanyetik malzemelerin manyetik geçirgenliği aslında sabit değildir. Ferromanyetik bir malzemedeki manyetik geçirgenliği açıklayabilmek için şu şekilde bir deney yapılabilir. Yandaki çekirdeğe sarılan sargıya bir doğru gerilim uygulayalım. Akım değerini 0A den başlayıp adım adım izin verilen en yüksek değere ulaşıncaya kadar arttıralım. Çekirdekteki akı, kendisini oluşturan MMK e göre çizildiğinde bir değişim elde edilir. Temel Yasalara Bakış Faraday Yasası (Endüksiyon Yasası) Lenz Yasası Bio-Savart Yasası Sağ el/sol el Kuralları Amper Yasası 17

18 Endüksiyon Yasası İlk olarak LENZ tarafından ortaya atılmıştır. İndüksiyon yolu ile elektromotor kuvvet eldesini açıklamaktadır. FARADAY tarafından Elektrik Makinalarına uygulandığından Faraday Yasası olarak bilinir. LENZ : Elektromagnetik indüksiyonun var olduğu her durumda, indüklenen EMK leri üreten akımlar, kendilerini meydana getiren nedene karşıdırlar. Amper Yasası -Elektromagnetik Alanı açıklamaktadır. -Üzerinden akım geçen bir iletkenin yakınına bir pusula yerleştirildiğinde, pusulanın saptığı gözlenir. -Bu içinden akım akan bir iletkenin etrafında bir magnetik alan oluştuğunu ispatlar. -Ayrıca iletkenin üstüne yerleştirilen pusulanın gösterdiği yön ile aynı pusulanın iletkenin altına konması halinde gösterdiği yön birbirine zıt olur. -Bu zıtlık, magnetik alanın, iletken etrafında, iletkene dik açıda bulunan bir düzlemde meydana geldiğini ispatlar 18

19 19

20 Magnetik alan zamanla değiştiğinde, uzayda bir elektrik alan üretilir. C d E. ds B. da dt S Bir başka deyişle; Şiddeti değişen bir magnetik alan içerisinde, sabit duran bir iletkende elektrik akımı indüklenir. Şiddeti sabit bir magnetik alan içerisinde, hareket ettirilen bir iletkende elektrik akımı indüklenir. Yukarıdaki denklemde : E elektrik alan şiddeti vektörünün kapalı bir çevre [C] etrafındaki çizgisel integrali, o çevredeki magnetik akı değişiminin zamana göre oranına eşittir. UYARI : Vektörel büyüklükle KOYU (BOLD) ifade edilmiştir. Yukarıdaki şekildeki gibi iletkenliği yüksek sargılara sahip magnetik devrelerde, iletken teldeki E elektrik alanının son derece küçük olduğu ve ihmal edilebileceği görülmektedir. Bundan dolayı d E. ds B. da dt C S denkleminin sol tarafı sargı uçlarında indüklenen gerilimin* negatif değerine indirgenir.eşitliğin sağ tarafı ise nüve akısı olan yi ifade etmektedir. Sarımlar ** nüve üzerinde N defa sarılırsa (N : Sarım sayısı) yukarıdaki denklem aşağıdaki şekildeki gibi ifade edilebilir. *İndüklenen gerilim terimi yerine sıklıkla elektromotor kuvveti (EMK) terimi kullanılır. EMK aynı zamanda zamanla değişen akının yol açtığı gerilim bileşenini de göstermektedir. ** Sargılar aslında kapalı C çevrimine karşı gelmektedir. 20

21 d d e N dt dt : Akı (Flux) N i 1 i : Akı Kavraması, Akı Bağı, Halkalama Akısı (Flux Linkage), Wb-sarım Bu denklem, zamanla değişen magnetik alan tarafından indüklenen gerilimi saptamak için kullanılır. Dönen makinalarda, mekanik hareketlenmeden ileri gelen akı kavramasındaki ( ) değişmeler sonucunda elektro-mekanik enerji dönüşümü gerçekleşir. Dönen makinalarda, gerilimler sargılarda (bobin gruplarında) üretilir. Bu üretilme 3 şekilde meydana getirilir. i.) Bu sargıların bir magnetik alan içerisinde mekanik olarak döndürülmesiyle, ii.) Magnetik alanın, sargılardan geçecek şekilde mekanik olarak döndürülmesiyle, iii.) Relüktansın rotorun dönüşü ile değişmesi için bir magnetik devrenin tasarımıyla, Bu her 3 yöntem ile de, belirli bir bobindeki akı periyodik olarak değiştirilir ve zamanla değişen bir gerilim üretilir. B-H Eğrisi Magnetik Malzemelerin B-H Karakteristikleri Mıknatıslanma Eğrisi, Histerisiz Eğrisi B Çalışma bölgesi B= H Doyma bölgesi B yi büyük yapabilmek yani az malzeme harcamak için dirsek bölgesinde çalışmak gerekir. B ne kadar büyürse kesit o kadar küçülür. Doyma bölgesi tehlikelidir. Aşırı ısınma olur. H 21

22 MANYETİK KAYIPLAR KONUSUNA TEKRAR DÖNECEĞİZ. KISACA MEKANİK BAZI KAVRAMLARA BAKALIM. Temel Mekanik Bilgileri KUVVET (FORCE) Bir nesneye uygulanan kuvvet ile o nesnenin ivmelenmesi arasında doğru orantı vardır. F m.a F m a : Nesneye uygulanan kuvvet [N] : Nesnenin kütlesi [kg] : Nesnenin ivmesi [m/s²] MOMENT (TORQUE) -Bir kuvvet, uygulandığı cisimde burulmaya yol açar ve o cismi döndürürse moment üretilir. -Üretilen moment, kuvvet ile dönüş ekseni ile olan dikey uzaklığın çarpımına eşittir. T F.r. sin -T: -F: -r: - : Tork, Moment, Nm Uygulanan kuvvet, N Yarıçap, m Kuuvet açısı 22

23 İŞ (WORK, ENERJİ) Bir nesneye uygulanan F kuvveti, o nesneyi d kadar uzağa taşıyabiliyorsa, yapılan iş : -W: -F: -d: İş, J Uygulanan kuvvet, N Mesafe, m W F.d İş tanımı, dönen bir cismin momenti ve açısal dönüşü cinsinden de ifade edilir. W T. -T: - : Moment, Nm Açı radyan GÜÇ (POWER) Birim zamanda yapılan güç yada harcanan enerji olarak tanımlanır. W P t -P: -W: -T: Güç [W, Watt] İş [J, Joule] Zaman [s, saniye] 23

24 GÜÇ (POWER) Bir motorun mekanik çıkış gücü momente ve açısal hıza bağlıdır. P w.t 2 w n 60 2 P n.t 60 -P : Mekanik güç, W -T : Moment, tork, Nm -w : Açısal hız, rad/s -n : Hız rpm, d/dk nt 9.55 Enerji Biçimleri Enerji türleri arasında dönüşümü sağlayan elemanlara makine denir. Enerji dönüşümde giriş gücü=çıkış gücü+kayıplar eşitliği söz konusudur. 24

25 Makine Verimi Eylemsizlik/Atalet, Moment, Hız Inertia, Torque, Speed -Dönen bir nesnenin hızını değiştirmek için, belli bir zaman periyodunda o cisme bir moment uygulanmalıdır. -Hızın değişim oranı (açısal ivme), momente olduğu kadar eylemsizliğe de bağımlıdır. Açısal hızdaki değişim Uygulanan momentin zaman aralığı Moment Eylemsizlik momenti 25

26 Motor/Yük Sisteminde Hız -elektrik motoru mile moment uygulamaktadır. -yükte mile karşı bir moment uygulamaktadır -net moment, milin hızlandıracaktır yada yavaşlatacaktır. Motor/Yük Sisteminde Hız Bir elektrik motoru ve fan dan oluşan sistemin moment-hız karakteristiği 26

27 Güç Akış Yönü -Mekanik sistemi besleyen güç : -Uygulanan moment ile dönüş yönü aynı yöndedir. -Mekanik sistemden çekilen güç: -Uygulanan moment ile dönüş yönü zıt yöndedir. 27