Elektromekanik Enerji Dönüşümü

5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
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
Generatör
Transformatör
: Elektrik
: Mekanik
: Elektrik
Mekanik
Elektrik
Elektrik
5
5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
Temel Magnetik Kavramlar
• Magnetik Alan Şiddeti [H] A/m
MMK Amper.(Tur)


Metre
H
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
50A

 159 A / m
2 2(0.05m)
Temel Magnetik Kavramlar
• Magnetik Akı Yoğunluğu [B] Tesla
B
: Magnetik Akı Yoğunluğu , [T, Tesla], T=Wb/m²

: Magnetik Akı [Wb, Weber] , Wb=Volt.saniye
A
: Kesit alanı [m²]
Şekildeki devredeki magnetik
akı yoğunlu ?
12
5.3.2015
13
5.3.2015
Magnetik Devrelerin Devre Analojisi-1
14
5.3.2015
Magnetik Devrelerin Devre Analojisi-2
15
5.3.2015
Magnetik Devrelerin Devre Analojisi-3
16
5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
19
5.3.2015
•
Magnetik alan zamanla değiştiğinde, uzayda bir elektrik alan üretilir.
 E.dS  
C
•
d
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   dt  B.da
denkleminin sol tarafı sargı uçlarında indüklenen
C
S
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
5.3.2015
N
d
d
e  N  
dt
dt
 : Akı (Flux)
   i
i 1
 : 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
Doyma bölgesi
Çalışma bölgesi
B=H
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
5.3.2015
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:
Tork, Moment, Nm
-F:
Uygulanan kuvvet, N
-r:
Yarıçap, m
-:
Kuuvet açısı
22
5.3.2015
İŞ (WORK, ENERJİ)
Bir nesneye uygulanan F kuvveti, o nesneyi d
kadar uzağa taşıyabiliyorsa, yapılan iş :
W  F.d
İş, J
-W:
-F:
Uygulanan kuvvet, N
-d:
Mesafe, m
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.
P
W
t
-P:
Güç [W, Watt]
-W:
İş [J, Joule]
-T:
Zaman [s, saniye]
23
5.3.2015
GÜÇ (POWER)
Bir motorun mekanik çıkış gücü momente ve açısal
hıza bağlıdır.
P  w.T
2
w
n
60
2
nT
P
n.T 
60
9.55
-P : Mekanik güç , W
-T : Moment, tork, Nm
-w : Açısal hız, rad/s
-n : Hız rpm, d/dk
Enerji Biçimleri
Enerji türleri arasında dönüşümü sağlayan elemanlara “makine” denir.
Enerji dönüşümde giriş gücü=çıkış gücü+kayıplar eşitliği söz konusudur.
24
5.3.2015
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
5.3.2015
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
5.3.2015
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