ELEKTRİK MAKİNELERİ (MEP 112) Yazar: Yrd. Doç. Dr. Mustafa Turan S1 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... 2005 S 1
Temel Yasalar ve Kurallar Bu Haftanın Hedefi: Elektrik makineleri ailesine genel bir bakış yapılıp, elektromekanik yöntemler ile çalışan bu tip makinelerin temel manyetik prensiplerinin kavranması hedeflenmektedir. Bu Haftanın Materyalleri Kullanılan semboller Animasyon Soru Veritabanı Bağlantılı Soru Simülasyon Püf Noktası 1
Giriş Bütün elektrik makineleri, elektromanyetik enerji dönüşümü yaptıklarından, manyetik alan yasalarına uyarlar. Manyetik akıların iletimi için manyetik özellikleri zenginleştirilmiş demirli malzemeler ve elektrik akımı için de iletkenler içerirler. Elektrik makineleri; doğru akım, tek fazlı alternatif akım ve üç fazlı alternatif akım için ayrı ayrı tasarlanırlar. Yapı ve özel prensipleri birbirinden oldukça farklılık gösterebilmektedir. Bütün elektrik makineleri, elektromanyetik enerji dönüşümü yaptıklarından, manyetik alan yasalarına uyarlar. Manyetik akıların iletimi için manyetik özellikleri zenginleştirilmiş demirli malzemeler ve elektrik akımı için de iletkenler içerirler. Elektrik makineleri; doğru akım, tek fazlı alternatif akım ve üç fazlı alternatif akım için ayrı ayrı tasarlanırlar. Yapı ve özel prensipleri birbirinden oldukça farklılık gösterebilmektedir. Döner Makineler 2
3
Doğrusal Hareket Eden Makineler 4
Duran Makineler / Transformatörler 5
Çeşitli Özel Elektrik Makineleri 6
7
8
9
Manyetik Alanlar ve Kuvvetler Manyetik Alanlar ve Kuvvetler Tüm elektrik makineleri elektromanyetik enerji dönüşümü yaptıklarından, elektrik makinelerinin anlaşılabilmesi için manyetik alan prensiplerinin bilinmesi gerekir. Manyetik Alanlar 1 Tesla (T) = 10000Gauss Kaynak Manyetik Alan (Gauss) Yeryüzü 0.5 Ev gereçleri 10 Çubuk mıknatıs 100 İnsani Sınır 2000 Büyük özel elektro mıknatıs 50000 Nicola Tesla (1856-1943) Friedrich Gauss (1777-1855) Tesla nın geliştirdiği Alternatif Akım şebekesi, Thomas Edison un Doğru Akım şebekesinin yerini almıştır. 10
Önemli Kişiler ve İfadeler Hareketli elektrik yükleri manyetik alan oluşturur. Manyetik alan içinde hareket eden yüklere kuvvet etkir. Andre Marie Ampere Hans Christian Oersted Amper Yasası Manyetik alanları keşfetmiştir Elektrik Akımı Manyetik Alan Oluşturur Bu kural; manyetizma ve manyetik kuvvetleri açıklayan iki sağ el Hans Christian Oersted kuralından ilkidir. (1777-1851) 11
Bir Sarımın Oluşturduğu Manyetik Akı Sağ el tirbuşon kuralı ile manyetik akı yönünün bulunuşuna dikkat ediniz Sarımın Oluşturduğu Akıya Detaylı Bakış Sarımın oluşturduğu manyetik akı aynen çubuk mıknatıstakine benzer. Burada, akım yünü, akı yönü ve N-S kutuplarının oluşum yönüne dikkat ediniz. Akı çizgileri, mıknatısın dışında N den S e; mıknatısın içinde ise S den N ye doğrudur. 12
Kuralın diğer bir ifadesi: Şayet sargıdaki akım saatin tersi yönde ise, mıknatısın N (kuzey) kutbunu görüyorsunuzdur.. size doğru; x ekrana doğru olan akışı gösterir. B endüksiyonu merkezde en güçlüdür. Yukarıdaki sarımda, sarımın size bakan iç kısmı S kutbudur. Sağ el tirbuşon kuralı ile kutuplaşmayı kendiniz de bulunuz. Elektron Manyetik Bir Dipol Oluşturur Elektron kendi ekseninde döner ve elektron akımı dönme yönündedir. Geleneksel olarak elektrik akımının yönü elektron akımının tersi yönündedir. Elektron; N ve S kutupları bulunan mikro bir mıknatıs gibidir. Bu temel (ikili) oluşuma manyetik dipol denir. 13
Demirdeki manyetik spin dipolleri N ve S Kutupları Birbirinden Ayrılamaz Bir mıknatısın ikiye parçalayarak, birbirinden ayrık N ve S kutupları elde edilmez. Açığa çıkan her bir parça müstakil N ve S kutupları olan yeni bir mıknatıstır. Parça sayısı arttıkça oluşum aynen devam eder. Bu süreç teorik olarak tek bir elektronun spin dipolüne kadar parçalanabilir. Elektronda da N ve S dipol kutuplaşmasının olduğu hatırlanırsa, tek kutuplu bir mıknatıs hiçbir zaman elde edilemez. Boyuna yönde de kesilse sonuç değişmez. 14
Çubuk Mıknatıs ve Yerkürenin Manyetik Alanı Çubuk mıknatısın manyetik alanı, yerkürenin manyetik alanına benzerdir. Akı çizgileri S den (manyetik güney) çıkar ve N ye (manyetik kuzey) girer. Yerküre içindeki konveksiyon akımları manyetik alan oluşturur. 15
Akım Geçen İletkenler Arasındaki Kuvvet Akımların aynı yönde olması halinde, iletkenler birbirini çeker. Zıtlık halinde itme vardır. Bu durum yükler arası çekime terstir: aynı cins yükler birbirini iter, zıt cinsler birbirini çeker (+ yükler, - yükleri çeker gibi). Önce iletkenlerden birine sağ el tirbuşon kuralını uygulayarak akımın oluşturacağı kutuplaşmayı belirleyip, daha sonra diğer iletkene aynı kuralı uygulayarak oluşacak kutuplaşmaların itme yada çekme yönünde etikeleyeceğini gösterip, yukarıdaki durumu ispatlayınız. Akım Çevrimleri Birbirini İter Yada Çeker Akım çevrimleri manyetik dipol (ikili) oluşturuyor. 16
Akım çevrimlerine ilişkin N ve S kutuplarını belirleyiniz. Çubuk Mıknatıslar Sabit konumlandırılan S kutbu; N kutbunu çekerken, S kutbunu iter. Komşu uçlardaki manyetik dipol çevrimleri aynı yönde ise mıknatıslar birbirini çeker. 17
Mıknatıslanma Oluşumu Böyle bir durum karşısında, demir içindeki elektron spin dipollerinin yönlenmesi ve kümelenmesi soldaki şekillerde görülmektedir. Mıknatıslanma ve Mıknatıslanmış Demir Yönlenmemiş dipoller Yönlenmiş dipoller Pusulada, yerkürenin manyetik S kutbu (jeolojik N kutbu; kuzey), pusula iğnesini benzer şekilde yönledirir ve pusula iğnesinin manyetik N kutbu yerkürenin manyetik S kutbunu gösterir. Pusula iğnesinin gerçekte kalıcı mıknatıstan yapılmış olduğunu hatırlayınız. Kalıcı mıknatıs askıdaki demirin dipollerini etkiler ve mıknatısın akı çizgileri yönünde hizaya sokar. Demirdeki yönlenen dipollerin sayısı, kalıcı mıknatısın B akı yoğunluğunun büyüklüğüne bağlıdır. 18
Elektromıknatıs ve Elektromanyetik Kapı Zili Elektrik akımının oluşturduğu manyetik akı bobin içerisindeki (akı yolu üzerinde) demirin manyetik dipollerini güçlü bir şekilde yönlendirir. Bu durum karşısında demir, elektrik akımı etkisi ile mıknatıslanmış olur. Bu oluşuma elektromıknatıs denir. Paramanyetizma ve Ferromanyetizma Oksijen paramanyetik bir maddedir, oksijen molekülleri manyetik dipollerden oluşur. Fakat bu domenler normal sıcaklıklarda zayıf etkileşimleri nedeni ile yönlenmemiştir. Paramanyetizma; ferromanyetizmadan çok daha zayıftır. Ferromanyetizma; demir ve karakter olarak demir gibi, oda sıcaklıklarda güçlü bir manyetik alan oluşturacak şekilde manyetik dipolleri birbirleri ile güçlü etkileşimli ve birlikte yönlenebilen malzemelerin ortak özelliklerine verilen isimdir. 19
Manyetik Kayıt İtme ve Çekmenin Belirlenmesi Akım geçen sarımların oluşturduğu manyetik alan, demir içerisindeki manyetik dipolleri yönlendirerek elektromıknatısı oluşturur. 20
Demir Tozları Manyeti Akı Çizgilerinin Yönünü Gösterir Demir tozları çok küçük çubuk mıknatıslar olarak Mıknatısın manyetik alanı değerlendirilebilir. Bu bağlamda demir tozlarını mıknatıslar. demir tozları B manyetik endüksiyonuna paralel çizgiler halinde yönlenir. Pusula; İğnesi B ile yönlenen bir Mıknatıstır 21
Akım Geçen İletkene Etkiyen Manyetik Kuvvet Manyetik alan içerisinde, İçinden akım geçen bir iletkene etkiyen manyetik kuvvetin yönü diğer bir sağ el kuralı ile bulunur. Karıştırmayınız: Önceden bahsedilen sağ el tirbuşon kuralı ile B nin yönü (manyetik endüksiyon) belirlenir. Kuvvet oluşumunda, iletkene dik olarak etkiyen akı esastır. Bu yüzden gelmektedir. çarpanı 22
İkinci Sağ El Kuralı ile Kuvvetin Yönünün Belirlenmesi Mıknatıs çeneleri arasındaki iletkenin sapacağı yönü bulunuz. 23
Manyetik Alan İçinde Bulunan Akım Çevrimine Etkiyen Moment Doğru Akım (DA) Motorunun Prensibi 24
CD Motoru B Endüksiyonu İçersinde Hareket Eden Yükler Elektrik alanının (E) oluşturacağı kuvvet, hıza paralel yönde olabilir. Fakat manyetik kuvvet hız vektörüne her zaman diktir. 25
Hareketli Yükler için Sağ El Kuralı Hareketli Yüklere Etkiyen Kuvvet Hız (v) manyetik endüksiyona (B) paralel ise, manyetik kuvvet sıfırdır. Bunun sebebi; olmasıdır. 26
Hareketli Yüklere Etkiyen Kuvvet: F = qvb sin q ; 0 ile 180 derece arsındaki açılar için pozitif değerlidir. F = qvb sin q Her bir durum için kuvvetin (F) yönünü belirleyiniz 27
Yükler Dairesel Bir Yörüngede Hareket Eder Manyetik Alanda Dairesel Yörüngeler 28
B Alanında Dairesel Hareket Kuvvet için Sağ El Kuralı Dört parmak manyetik endüksiyonun (B) yönünü, baş parmak hız vektörünün (v) yönünü gösterirse; avuçiçi kuvvetin (F) yönünü gösterir. Kütle Spektrometresi (3) ile (6) ifadeleri eşittir: olur. 29
Manyetik Alanda Elektron Demeti Elektronlar aşağı doğru saptığına göre, B nin yönü nedir? Kuzey Işıkları (Aurora Borealis) Atmosferdeki nükleer patlamalar kuzey ve güney kutuplarında ışıklar oluşturur. 30
Magnetohidrodinami (MHD) Yamato II Amper Yasası elemanına paralel akı yuğunluğu I = kapalı çerçeve içindeki net akım. Bu örnekte iki akımın toplamıdır (her ikiside aynı yönde) 31
Amper Yasası nın Düz Bir İletkene Uygulanması Amper Yasası: Yarıçap uzaklığındaki akı yoğunluğu (B) nedir? -------------------------- elemanına paralel akı yuğunluğu, yarıçap üstünde sabit olup = B boşluğun manyetik geçirgenliği olup, birimi H/m dir (H; Henri) Sayısal Örnek 0.04 m mesafedeki B yi siz hesaplayınız 32
33