ELEKTRİK MAKİNALARI Ipersonel.klu.edu.tr/dosyalar/kullanicilar/engin.huner/dosyalar/dosya... ·...
Transcript of ELEKTRİK MAKİNALARI Ipersonel.klu.edu.tr/dosyalar/kullanicilar/engin.huner/dosyalar/dosya... ·...
İÇERİK
ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ
TEMEL KAVRAMLAR
DC MAKİNALARA GİRİŞ
DC MAKİNALARIN UYARMA ŞEKİLLERİ VE ELEKTRİKSEL EŞDEĞER DEVRELER
PROBLEMLER
TRANSFORMATÖRLER
TRANSFORMATÖRLERİN EŞDEĞER DEVRELERİ
PROBLEMLER
KAYNAK KİTAPLAR
ÜNİVERSİTE DERS NOTLARI (İNTERNET)
PROF.DR. İBRAHİM ŞENOL ELEKTRİK MAKİNALARI I
ELEKTRİK MAKİNELERİ ESASLARI GİRİŞ İTÜ ÇEVİREN HALİS DUMAN
ADEM ALTUNSAÇLI ELEKTRİK MAKİNALARI I
PROF.DR.FAİK MERGEN ELEKTRİK MAKİNALARI
PROF.DR. TURGUT BODUROĞLU
ENERJİNİN DÖNÜŞÜMÜ Elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren elektrik makinesine motor, mekanik
enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren elektrik makinesine de generatör denir.
Motor için
Generatör için
Giriş
Elk. Enerjisi
Çıkış
Mekanik
Enerji
Elk ve Many.
alandan depo
edilen enerji
Isıya
dönüşen
enerji
Bakır ve
Demir
Kayıpları
Sürtünme ve
Vantilasyon
Kayıpları
Giriş
Mekanik
Enerjisi
Çıkış
Elk. Enerjisi
Isıya
dönüşen
enerji
Isıya
dönüşen
enerji
Elk ve Many.
alandan depo
edilen enerji
MANYETİZMA Bir mıknatıs üzerine yerleştirilen cam veya mukavva üzerine ince demir
tozları serpildiğinde, demir tozları manyetik alan çizgileri denen düzgün
çizgiler üzerine toplanır.
MANYETİK ALAN hareket eden elektrik yüklü parçacıklar manyetik kuvvetlere yol açarlar.
Manyetik kuvvetler manyetik alan oluşturur.
Bu manyetik alanı kuvvetin yönünü gösterecek şekilde çizilen bir dizi kuvvet
çizgisi ile gösterebiliriz.
MANYETİK DİPOLLER Manyetik malzemelerde manyetik dipoller bulunur. (Dipol: eşit ve karşıt yüklü
veya manyetize olmuş ve birbirinden uzakta bir çift kutup anlamına gelir).
Manyetik dipolleri kuzey ve güney kutupları bulunan küçük mıknatıslar olarak düşünebiliriz.
Manyetik alanda alanın kendi kuvveti bu dipolleri alanla birlikte yönlendirmek için bir tork uygular.
örnek: manyetik kumpas iğnelerinin yerküre manyetik alanında yönlenmeleri gibi.
Manyetik Alan ve Manyetik Akı İçinden elektrik akımı geçen bir iletkenin çevresinde manyetik alan (H)
oluşur.
Bu manyetik alanın içine manyetiklik özelliğine sahip bir malzeme (mıknatıs)
konacak olursa manyetik alan şiddeti daha da artar ve kuvvet çizgileri
sıklaşır.
Malzeme varlığından doğan ek manyetikalan artımına manyetik akı
yoğunluğu (B) denir.
Bobinden geçen akımın oluşturduğu manyetik alan:
N: sarım sayısı
L: bobinin uzunluğu
Boşluktaki manyetik akı yoğunluğu
boşluğun manyetik geçirgenliği
Manyetik geçirgenlik
Manyetik alan çizgilerinin ne kadar geçtiğinin bir ölçüsüdür. Havanın içine
demir bir malzeme konursa havaya göre daha geçirgen (manyetik olarak)
olduğu için manyetik alan çizgilerinin sıklaştığı görülmektedir.
Manyetik alan içine bakır, gümüş, bizmut gibi mıknatıs özelliği olmayan bir
madde konulursa alan çizgileri bu maddeden geçerken birbirinden
uzaklaşır; birim alandan geçen akı azalır.
Manyetik geçirgenlik Maddelerin manyetik alan çizgilerini seyrekleştirme ya da sıklaştırma
özelliğine o maddenin manyetik geçirgenliği (µ) denir.
Boşluğun manyetik geçirgenliği sabittir.
Bağıl manyetik geçirgenlik ise havaya göre ne kadar geçirgen olduğunun
bir göstergesidir. Yada H alanında B alanının oluşturulmasının kolaylığının bir
ölçüsüdür.
µ= µ0. µr (H/m)
Manyetik akı yoğunluğu
B: manyetik akı yoğunluğu Tesla (T), weber/m^2
H: manyetik alan şiddeti Henri (H)
µ : manyetik geçirgenlik Wb/Amper metre veya Henry/m
H alanının geçtiği ve Bnin ölçüldüğü ortamın bir özelliğidir.
Maddeler bağıl geçirgenlik katsayılarına göre 3’e ayrılır.
µr < 1 Diamanyetik malzemeler
Bağıl geçirgenlikleri 1’den biraz küçüktür.
Diamanyetik maddeler manyetik alan içine konduklarında manyetik alanı biraz
zayıflatırlar.
Bakır gümüş, bizmut ve karbon gibi maddeler diamanyetiktir.
Diyamanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar; sadece dışardan bir
manyetik alan uygulandığında mıknatıslanma olur.
Diamanyetik bir malzemede dış alan
olmadığında dipoller de yoktur.
Manyetik alanda alan yönüne ters
yönlenen dipoller
oluşur.
µr > 1 Paramanyetik malzemeler
Bağıl geçirgenlikleri 1’den biraz büyüktür.
Manyetik alan içine konulduklarında manyetik alanı biraz sıklaştırırlar.
Alüminyum ve mangan paramanyetiktir.
Bazı katı maddelerde elektron spin ve/veya yörünge momentleri arasında tam bir
silme
gerçekleşmediği için her bir atom kalıcı bir dipol momentine sahiptir.
güçlü bir manyetik alana paralel şekilde yönlenme olur.
Paramanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar.
Çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür.
µr >>> 1 Ferromanyetik malzemeler
Bağıl geçirgenlikleri 1’den çok büyüktür.
Bu maddeler manyetik alan içine konulduklarında kuvvetli olarak mıknatıslanırlar
ve manyetik alan şiddetini çok arttırırlar.
Bu özellikleri nedeniyle, ferromanyetik maddeler mıknatıslar, elektrik motorları,
jeneratörler, manyetik teypler için idealdir.
Demir, nikel, kobalt ferromanyetiktir.
ferromanyetik malzemeler
Fe, Ni ve Co’dan oluşan küçük bir metal grubu çok kuvvetli manyetik özellik
sergiler.
Bu metaller ferromanyetik malzemelerin en iyi bilinen örnekleridir.
Benzer manyetik yönlenmelere sahip atomlar komşu atomlarla
birlikte manyetik domen denilen gruplarda toplanırlar.
Malzemelerin manyetik özellikleri
Ferromanyetik bir malzemede manyetik domenler kendilerini daima bir
mıknatısı çekecek şekilde yönlendirirler.
Eğer bir kuzey kutup yaklaşırsa güney kutupları bu kutbu gören domenler
büyür. Kuzey kutup yaklaşırsa tersi olur.
Manyetik momentlerin kaynağı
Elektron: hareket halinde elektrik yükü!
Malzemelerin makroskopik manyetik özellikleri e- ların manyetik momentlerinin sonucudur!
Her elektron iki tür manyetik momente sahip: elektronun çekirdek etrafındaki yörünge hareketi
Kendi ekseni etrafında spin hareketi
Net manyetik
moment:
bütün
elektronların
momentlerinin
toplamı
Her bir elektron kalıcı yörünge ve spin
manyetik momentleri bulunan küçük birer
mıknatıs olarak kabul edilebilir.
Domenler ve histeresiz
B vs H eğrisinin eğimi geçirgenlik olduğundan,
geçirgenlik H ile değişir ve ona bağlıdır.
B vs H eğrisinin H=0 noktasındaki eğimi ilk geçirgenlik initial permeability)
bir malzeme parametresidir.
Domenler ve histerisiz
H alanı etkisi altında domenler şekil ve boyut değiştirirler.
Başlangıçta domenlerin momentleri rastgele yönlenmiştir ve bu nedenle net
bir mıknatıslanma olmaz.
Dışardan uygulanan alana paralel yönlenen domenler diğerlerinden daha
fazla büyür ve onların yerini alır.
alan şiddetinin artması ile en sonunda parça alan ile ayni yönlenmede tek
bir domen haline gelir.
Bu domen H alanı ile birlikte yönlendiğinde doygunluk gerçekleşir.
Histerisiz (gecikme anlamına gelir)
Doygunluk noktasından itibaren H alan şiddeti alanın yönü değiştirilerek
azaltıldığında B-H eğrisi orijinal çizgisini takip etmez.
B alanının uygulanan H alanının gerisinde kalması veya daha
yavaş değişmesi ile bir histerisiz etkisi oluşur.
H alanı sıfırlandığında parçada hala bir miktar
mıknatıslanma vardır.
Buna remanens
veya remanens akı yoğunluğu (Br)
denir.
Bir dış manyetik
alan (H) olmaksızın
malzeme mıknatıslanmış
olarak kalır.
Mıknatıslanma alan ters
yönde Hc değerine
ulaştığında sıfırlanır.
Hc: koersif kuvvet
Histerisiz davranışı ve kalıcı mıknatıslanma domen sınırlarının hareketi ile açıklanabilir.
Alan yönünün doygunluktan itibaren tersine döndürülmesi ile domen yapısının değişim
süreci de tersine döner
İlk anda, tersine dönen alanla tek bir domenin rotasyonu gerçekleşir.
Daha sonra yeni alanla birlikte yönlenmiş manyetik momentleri olan domenler oluşur ve
bunlar daha önceki domenlerin yerini alarak
büyür.
Bu mekanizmada kritik olan manyetik alanın ters yönde büyümesi sırasında domen
sınırlarının hareketlenmesine direnç konusudur.
B’nin H değişime ayak uyduramaması ve geri kalmasının ve bir histerisiz etkisi ortaya
çıkmasının nedeni bu dirençtir.
Uygulanan alan sıfırlandığında yapıda hala hatırı sayılır miktarda daha önceki alana göre
yönlenmiş domen bulunur.
remanens (Br) bu şekilde ortaya çıkar.
Parçadaki alanı sıfıra düşürmek için, orijinal alanınkine ters yönde, Hc
şiddetinde bir dış H alanı uygulamak gerekir.
Hc’ye koersivite veya koersif kuvvet denir.
Ters yönde alan uygulanmasına devam edildikçe en sonunda ters yönde
doygunluk elde edilir.
Alanın ikinci kez yön değiştirmesiyle tekrar ilk doygunluk mıknatıslanma
noktasına ulaşılır ve B-H çevrimi bir histerisiz etkisi içerecek şekilde
tamamlanmış olur.
Bu çevrimde negatif remanens (-Br) ve pozitif koersivite (+Hc) değerleri de
mevcuttur.
Ferro ve ferrimanyetik malzemelerinki tipik lineer olmayan bir
histerisiz davranışı iken, para- ve diamanyetik
malzemelerde B’nin H ile değişimi lineerdir.
Yaklaşık 30 Amper sarım/metre
İçin ferromanyetik malzeme 1,5 T
Seviyesinde para ve dia manyetik
malzeme ise 0,00005 tesla
civarındadır.
Gerek ferro gerek ferrimanyetik malzemeler histerisiz eğrilerinin karakterine
göre ya sert ya da yumuşak olarak tanımlanırlar.
Histerisiz eğrisi içinde kalan alan B-H çevriminde malzemenin birim
hacminde manyetik enerji kaybını temsil eder.
Bu manyetik enerji kaybı malzeme içinde ısınma şeklinde gerçekleşir ve
malzeme sıcaklığı artar.
Yumuşak manyetik malzemeler
Bu nedenle histerisiz eğrisi içinde kalan alan küçük olmalıdır.
Tipik olarak bu eğri ince ve dar olmalıdır.
Bu durumda yumuşak manyetik malzemeler yüksek bir erken geçirgenlik ve
düşük koersivite sahibi olmalıdır.
Bu özelliklere sahip bir malzeme oldukça zayıf bir alan uygulaması ile doygunluk
manyetizasyonuna ulaşabilir (kolayca manyetize ve demanyetize olabilir).
Kolay mıknatıslanırlar. Mıknatıslanmaları kolay
kaybolur.
Manyetik geçirgenlikleri yüksektir.
Kalıcı mıknatıslanmaları düşüktür.
Yok edici manyetik alan kuvvetleri küçüktür.
Yumuşak manyetik malzemeler alternatif manyetik alanlara maruz kalan ve bu nedenle
enerji kayıpları az olması gereken cihazlarda kullanılırlar.
Örnek: transformatörler; elektrik motorları
Demir, metal türü yumuşak manyetik malzemedir.
Yumuşak manyetik malzemeler için önemli bir diğer özellik elektrik direncidir.
Histerisiz enerji kayıplarına ilave olarak, manyetik malzemelerde zamanla manyetik alan
şiddeti ve
yönündeki değişiklikle Eddy akımları oluşur ve enerji kaybına yol açar.
Yumuşak manyetik malzemelerde Eddy akım kayıplarını, elektriksel direnci arttırarak en aza
indirmek isteriz.
Bu nedenle Ferromanyetik malzemeler saf demir yerine katı eriyik alaşımlarından (Fe-Si ve
Fe-Ni
alaşımları) imal edilir.
Transformatör çekirdekleri
Transformatör çekirdeklerinde kolayca mıknatıslanıp, bu mıknatıslanmayı
kolayca kaybeden yumuşak manyetik malzemelerin kullanılması gerekir.
İdeali, manyetik anizotropik olan tek kristallerin kullanılmasıdır. Ancak tek
kristallerin üretimi maliyetlidir. Bunun yerine haddeleme ile yönlenme
sağlanmış elektrik sacları kullanılır.
Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan manyetik alana paralel
olacak şekilde üretilen elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da,
çekirdek kayıpları sınırlıdır.
Silisli demir-elektrik sacı
Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan manyetik alana paralel
olacak şekilde üretilen elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da,
çekirdek kayıpları sınırlıdır : Fe-3Si
1900’da demire silisyum ilave edilmesinin yararlı olduğu
anlaşıldı.
%3 kadar Si sadece geçirgenliği arttırmakla kalmadı,
alaşımsız demire göre koersif kuvveti de düşürdü
Kütle metal çekirdekler yerine laminasyon sac plakalar
kullanılarak Eddy akım hatları kesildi ve böylece çekirdek
kayıpları azaltıldı.
Hidrojen tavları ile karbon miktarı düşürülerek, tane çapı
ayarlanarak, haddeleme ile uygun tekstür oluşturularak,
tabaka levha içinde çekme gerilmeleri oluşturularak
histerisiz kayıpları daha da azaltıldı.
Zamanla çekirdek kayıpları 8W/kg’dan 0.4W /kg seviyesine
düştü.
sert manyetik malzemeler
yüksek bir remanens, koersivite
ve doygunluk akı yoğunluğuna
ilave olarak düşük bir erken
geçirgenlik ve geniş bir
histerisize sahip olmalıdır.
Kalıcı manyetiklikleri yüksektir.
Yok edici manyetik alan
kuvvetleri büyüktür.
Histerezis eğrileri uzun ve
geniştir.
Bu malzemelerin uygulama alanlarında en önemli
özellikler: koersivite ve enerji çarpanıdır: (BH)max
B-H eğrisinin 2. çeyreği içine
sığabilen en büyük B-H dikdörtgeninin alanı.
Birimi kJ/m3 (MGOe).
(BH)max, sert bir mıknatısı demanyetize
etmek için gerekli enerjiyi temsil eder.
Endüstride kullanılan en önemli sert ferromanyetik malzeme alnico
alaşımlarıdır. (%50’si Al, Ni, Co, geri kalanı Fe).
Sert manyetik malzemeler, mıknatıslanma kaybına yüksek direnç göstermesi
gereken kalıcı mıknatısların imalatında kullanılırlar.
Hoparlör
Video kayıt cihazı
TV
Neodmiyum–demir–bor mıknatısları
Sm nadir ve pahalı bir element, Co fiyatı da değişken olduğu için Nd-Fe-B mıknatısları tercih
edilen yüksek enerji mıknatısları olmuştur.
Bu mıknatısların enerji çarpan değerleri Sm-Co mıknatısları ile yarışır seviyededir.
İlk kez 1984’de üretilmiştir.
Curie sıcaklıkları düşüktür (312°C); bu nedenle yüksek sıcaklık uygulamalarına uygun
değildir.
Minyatürleşmenin kritik olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
BH Grafiği-Mıknatıslama (doyum) Eğrisi
•Manyetik alan şiddetine göre manyetik akı yoğunluğunun değişimini
gösteren grafik BH grafiği olarak adlandırılır.
•BH grafiği 3 bölge olarak incelenebilir.
1. Doğrusal bölge: H ile B doğrusal değişir. Bu bölge
mıknatıslanmanın sağlandığı bölgedir.
2. Büküm bölgesi: H ile B daha az bir oranla değişim göstermektedir.
3. Doyum bölgesi: Ferromanyetik malzeme manyetik doyuma
ulaşmıştır. Bu noktadan sonra H değeri ne kadar artırılırsa artırılsın B
değerinde bir değişim olmaz.
Histerisis Çevrimi
Daha önceden mıknatıslanmamış bir ferromanyetik nüveye sarılı sargılara AA uygulandığında,
AA’ın yükselen kenarında nüvede a-b yönünde mıknatıslanma meydana gelir.
AA azalmaya başladığında H değeri buna bağlı olarak da B değeri azalacaktır. Fakat AA değeri sıfır olduğunda B
değeri sıfır olmayacaktır (b-c eğrisi). Ferromanyetik malzeme üzerinde artık mıknatısiyet dediğimiz bir Br değeri
olacaktır.
AA yön değiştirdiğinde mıknatıslanma eğrisi de yön değiştirecektir. Önce artık mıknatısiyet
gidecek daha sonra c-d yönünde bir değişim meydana gelecektir.
AA –maksimum değerden sıfıra doğru yaklaşırken ferromanyetik malzemenin BH eğrisi d-e yönünde
olacaktır.
AA’ın tekrar pozitif olması durumunda eğri e-b yönünde değişecektir. Bundan sonra BH eğrisi b-c-
d-e yönünde değişim gösterecektir. b-c-d-e kapalı çevrimi histerisiz çevrimi olarak
adlandırılmaktadır.
Histerisiz çevrimin oluşumunu anlamak için ferromanyetik malzeme yapısını incelemek gerekir.
Ferromanyetik malzemelerin atom yapıları aynı yönde manyetik alana meyillidir. Bu malzemeler
domain olarak adlandırılan çok küçük bölgelerden meydana gelir. Her domain içinde atomlar
manyetik alanları ile aynı yönde sıralanırlar.
Böylece her domain bir mıknatıs parçası olarak görev yapar.
Mıknatısiyetin Giderilmesi
Ferromanyetik malzemeler ancak dış etkiler ile mıknatıslık
özelliklerini tamamen kaybederler.
Bu dış etkenler:
1. Ters yönde bir manyetomotor kuvveti uygulanması
2. Büyük bir mekanik darbe uygulanması
3. Aşırı ısınma
Elektrik makinalarında temel kanunlar
1. Faraday Kanunu: Bir devrede indüklenen emk (elektromotor kuvvet),devreden geçen manyetik akının zamana göre değişimi ile doğru orantılıdır.
𝜀 = −𝑑φ
𝑑𝑡• ε: İndüklenen emk (volt)
• φ : Manyetik akı (weber)
• t : Zaman (saniye)
• N sarım sayısı ise
𝜀 = −𝑁𝑑φ
𝑑𝑡
2. Lenz Kanunu : Manyetik akının değişimine bağlı olarak üretilen emk faradaykanunu göre açıklanır. Halka bir iletkenin içindeki indüklenen manyetik akı ise herzaman sabit olmak ister bundan dolayı indüklenen alan her zaman değişime zıt olur.
Mıknatıs ve İletken Bobin-Yandaki şekilde mıknatıs çubuk iletkenin içine doğru hareket ettirildiğinde
-Manyetik akının değişiminden dolayı bir gerilim indüklenir (Faraday Kanunu)
- Mıknatıs halka iletkene doğru yer değiştirirken galvanometre sola doğru
alanı destekler yönde hareket edecektir.
- Mıknatıs halka iletkenin dışına doğru hareket ederken ise sağa doğru alanı
zayıflatacak şekilde hareket edecektir.
- Bu özellik üretilen manyetik alanı Lenz kanununa göre bize açıklar.
3. Bio-Savart Kanunu: Manyetik alan içine yerleştirilen bir iletkenden akımgeçirildiğinde iletkene dik bir kuvvet etkir. Bu kuvvet iletkeni manyetik alan içindehareket ettirmeye çalışır.
𝐹 = 𝐵𝑥𝑙 𝑖i: iletkenin içindeki akım (amper)
l: iletkenin uzunluğu
B: manyetik akı yoğunluğu vektörü
• Elektrik makinalarında hareketi sağlayan F kuvvetidir. Bu kuvvete elektromanyetikkuvvet veya lorentz kuvveti denir.
4. Amper Yasası: kapalı bir kuvvet çizgisi (akı çizgisi) boyunca, alan şiddetlerinin buçizgi üzerindeki izdüşümlerinin toplamı bu kapalı çizginin tarif ettiği düzlemden dik açıile geçen amper sarımların toplamına eşittir.
𝐻𝑙 = 𝑁𝐼
Ferromanyetik Nüvedeki Enerji Kayıpları
1.Histerisis Kayıpları:
Demir içinde domainlerin yönünü değiştirmek için gerçekte bir enerjiye gerek duyulması, bütün
makinalarda ve transformatorlarda ortak olan bir enerji kaybına neden olur.
Bir demir nüveye uygulanan alternatif akımın her bir saykılı boyunca domainlerin yön
değiştirmesi için harcanan enerjiye histerisis kayıpları denir.
Histerisis çevrimini, nüveye uygulanan alternatif akım şekillendirir ve histerisis çevriminin alanı her
bir saykıldaki enerji kayıpları ile oranlıdır.
Ph histerisis kayıplar (W), Kh bir sabit olup manyetik
malzemeye bağlıdır, n değeri deneysel olarak bulunur ve 1.5-2.5
arasında alınır, V nüvenin hacmidir (m3).
2.Eddy (girdap) Akımı Kayıpları:
Nüve içinde değişen manyetik alanlar tarafından üretilir. Faraday kanununa göre;
zamanla değişen akı, nüve etrafına sarılı sargılarda bir gerilim endüklediği gibi
manyetik bir nüve içersinde de bir gerilim endükler.
Bu gerilimler nüve içersinde akımın bir halka şeklinde dolaşmasına neden olurlar. Bu
olay su akıntısındaki girdaplara da benzetilir ve ismini de oradan almıştır.
Eddy akımları demir nüve gibi rezistif (omik) özelliği olan malzemeler içinden akarlar ve enerji
nüve içinde ısı şeklinde harcanır.
Eddy akımları yüzünden kaybolan enerji miktarı eddy akımlarının nüve içersinde izledikleri
yolların boyutları ile orantılıdır.
Bu sebepten dolayı değişen akıya maruz kalan ferromanyetik nüvenin bir çok ince
levhalardan yapılması ve levhaların bir yüzünün silikon ile yalıtılması artık klasik bir tekniktir.
Silisli saclardan yapılan nüvede eddy akımları için akım yolları çok kısaltılarak yol direnci artırılır
ve böylece eddy akımı ile beraber eddy kayıpları da azaltılır.
Birim hacim başına eddy akımı güç kayıpları:
Birim hacim başına Nüvenin toplam eddy akımı güç kayıpları
t1 sac levha kalınlığı, Ke manyetik malzemenin iletkenliğine bağlı sabit. V manyetik nüvenin
hacmidir (m3).