B - האתר של שי ידרמן
Transcription
B - האתר של שי ידרמן
מכונות מסתובבות – המשך: אחד המבנים היותר איכותיים של מכונה מסתובבת מתואר בסמוך: יש לנו שני גלילים ,אחד בתוך השני. קודחים שני חורים לאורך הגליל הפנימי ומעבירים חוט דרך שני החורים. (בפועל קודחים יותר אך כעת נסתפק ב 2-חורים). ניתן לראות כי בהעברת זרם מתקבלים קווי השדה המגנטי המתוארים. באופן דומה קודחים שני חורים בגליל החיצוני וגם דרכו מעבירים חוט. ניתן לנתח את ההתנהגות של השדות כתלות אחד בשני: L כוח לורנץ F q E v B :כאשר - q v B :החלק המגנטי. 2r B ניתן לראות כי ההמרה של q vל I L -היא. q v I L J da J dv : לכן כוח לורנץ יכול להיכתב באופן הבא. F I L B : בגרף הסמוך רואים את השפעת השדה המגנטי של גליל אחד על הסיבוב של חברו. ניתן לראות כי קיים מומנט עקב כוח לורנץ (בחצים הסגולים). כיוון השטף מסומן בחצים כחולים .הזווית מוגדרת בתור הזווית שבין כיוון השטף וציר השדה המגנטי כמתואר. נוכל לחשב את מומנט הסיבוב: . 2 r F 2 rF sin 2 r IBL sin נעזר ב 2 rL A -ונכתוב. IB A sin : שדה B "חיצוני" 2r נגדיר - A :ווקטור שטח לפי בוהן יד ימין ,אצבעות בכיוון . Iלפי ההגדרה נוכל לרשום. IA B : המכפלה IA :היא דיפול מגנטי ומסומנת ב . m -נוכל לכתוב סופית. m B : אנו רוצים להכניס את מספר הלולאות ולבטא מומנט באמצעות צפיפויות השטף. נוסיף ללולאה ליפופים כך שסה"כ ללולאה עם Nליפופים נקבל. INA B : נגדיר - l :האורך הממוצע של המעגל המגנטי (הממוצע של קווי השטף). - Aשטח חתך ממוצע של מעגל מגנטי. לפי זה נוכל לרשום H l N I :כאשר גם כאן H :הוא השדה המגנטי הממוצע. נחליף ונקבל INA B HlA B VH B :כאשר Hהוא השדה של הלולאה האדומה ו V -הוא הנפח הממוצע של המעגל המגנטי . V Al נבטא ע"י V B R B S : B 1 כאשר B S :הוא השדה של הסטטור ו B R -הוא השדה של הרוטור. בצורת הרישום הנ"ל קיבלנו למעשה את המומנט של הרוטור .נוכל לקבל את השקול של המכפלה הווקטורית: לכן נוכל לכתובV B R BT : 1 R otor מומנט על הרוטור .המומנט על הסטטורVB S BT : (נעזרנו בזהות.) B R BT B R B S B R B R B R B S : |1 המרת אנרגיה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 1 BT B R B S . Stator BS BR מאזן העברת הספקים תחת מהירות קבועה: בכל שלב שבו הלולאה לא מאוזנת ,ההיטל של השטף על הציר המגנטי יגרום לתאוצה. אנו נרצה ליצור מצב שבו התאוצה תבוטל והלולאה תסתובב במהירות קבועה. נשים לב כי עבור קטנה ,המהירות היא: המתח המושרה הוא: dB dt d dt . V N Aכאשר B :הוא החלק הניצב של הציר המגנטי לכיוון הסיבוב. במצב זה הלולאה עושה בשבילנו עבודה בכך שהיא יוצרת מתח מושרה .כדי לבטל זאת נצטרך להכניס מתח מושרה דרך החוטים. d גודלו הוא: B cos N A B sin dt d V N Aההספק הרגעי הוא. V I N IA B sin H B lA sin : dt המרה של הספק חשמלי להספק מכאני: נלך בכיוון ההפוך – המרה של הספק מכאני להספק חשמלי :VI נקבע ( I 0לא מכניסים זרם) ונקבע :עם כיוון השעון. מסובבים את הלולאה ומקבלים את . V N BA sin :בשלב הבא נחבר נגד בין שני החוטים שמועברים ללולאה. כתוצאה מכך יווצר זרם הפוך לזה שנוצר כתוצאה מהמתח המושרה ונקבל :הפוך ,המתנגד לכיוון הסיבוב המקורי . (בשל חיבור הנגד נוצר זרם הפוך ולכן מומנט הפוך לכיוון הסיבוב). את הכיוון הישר ראינו עד כה. יצירת שדה מגנטי מסתובב – חיבור תלת פאזי: ניקח פעם נוספת את המעל המגנטי ונתייחס לליפוף אחד ,נניח בסטטור (הגליל החיצוני). מזרימים זרם . I 0 :כאשר נלפף חוט נוסף בזווית של ונעביר בו זרם I ונחזור על התהליך מספר פעמים נקבל כי ההיטל הניצב יצור כוח שקול כמעט זהה (נראה בשיעור הבא). כאשר נמדוד רק את המתחים דרך כל זוג חוטים (מבלי להכניס זרם) נקבל מתחים בהפרש פאזה של . עד כאן הרצאה .11תאריך10.1.12 : כמה מילים על חוק פראדיי: נסתכל במסגרת ובה זרם . Iנוצר מתח מושרה . V השטף העצמי נוצר ע"י הזרם של הלולאה ,נסמן אותו ב . 1 -הוא משרה את V1ולכן כרגע Vיהיה . V1 נחשב: d 1 dt N N 1 d dt P . V1 כיוון השטף הוא ימין (לפי כלל יד ימין). 2 d N I N dI dI L אם השטף עולה ,המשמעות היא שהמתח יעלה .נקבל: dt dt dt |2 d 1 dt המרת אנרגיה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן N d 1 dt I . V1 N V נניח שיש לנו שדה מגנטי חיצוני B 2אשר יוצר מתח מושרה נוסף V 2כאשר הוא משתנה. הערך המירבי מתקבל עבור זווית אפס ,כי אז ההיטל על המשטח מירבי. בזמן ש B 2 -מקביל ללולאה מקבלים B 2 B 2 sin t :ולכן B 2 co s t : dB2 dt B2 t .V2 P V I מכונה מלופפת ב m-פאזות: לקחנו את הסטטור וליפופנו ליפוף ראשון אופקי וליפוף שני בזווית . מתוארים שני הזרמים באיור הסמוך .כעת נתייחס ל M -פאזות. נגדיר את ווקטורי היחידה הניצבים ללולאות. n1 , n 2 , ...., n k : I מבחינת ההיטלים מקבלים. nˆ k xˆ cos k 90 yˆ sin k 90 : n0 I שדה מגנטי כלשהו ( Bשל הרוטור) מסתובב ב t -כך ש B t -וגודלו. B m : n1 ˆy ˆx ההיטל הניצב של Bללולאה ה- k -ית הוא xˆ cos t yˆ sin t nˆ k : נפתח ונקבל: xˆ cos t yˆ sin t xˆ cos k 90 yˆ sin k 90 cos t k 90 sin t k לכן השדה הניצב על הלולאה ה- k -ית הוא. B k B m sin t k : נקבל את המתח המושרה הממוצע הבא : N A B m cos t k V km cos t k B k A d dt .Vk t N יש לנו בביטוי מתח פאזי ,ז"א שתלוי בפאזה של הלולאה (תלוי ב .) k -על הלולאה ה k -מתקבל מתח בפאזה של . k המסקנה :שדה מגנטי המסתובב בין לולאות יוצר מתח רב פאזי. נבדוק את המצב השני – אין מגנט חיצוני ומזרימים זרם דרך פאזה . kבמצב זה הזרם יהיה בפאזה של . k נחשב את H העצמי .אנו מזרימים זרם : , I k I m cos t k לכןcos t k nˆ k : NIm NIk l avg l avg . NI Hl H k נציב את ווקטור היחידה המאונך למשטח: H k H m cos t k nˆ k H m cos t k xˆ sin k yˆ cos k cos t cos 2 k t Hm 2 ˆ sin t sin 2 k t y xˆ sin 2 k t yˆ cos 2 k t Hm 2 yˆ cos t yˆ cos t xˆ sin t H m 2 cos t 1 H arctan arctan cot t tan tan t 90 t 90 sin t מסקנה :זרם רב פאזי בעל I mיוצר שדה מסתובב: (השדה תמיד ניצב רגעית ללולאה שבה יש זרם מירבי). |3 המרת אנרגיה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן NIm l a vg m 1 2 2 xˆ sin t האיבר הראשון לא תלוי ב k -והאיבר השני הוא כן ,הסכום על כל ה- k -ים יתאפס. החלק שלא תלוי ב k -רק יכפול במספר הפאזות כאשר נסכום והוא זה שקובע את עוצמת השדה המגנטי: Hm Hm H m וזווית. t 90 : ˆ x Hm 2 המתח המושרה כתוצאה מהשטף העצמי: היות ויש לנו שטף עצמי ,הוא משרה מתח .יש לחשב את ערכו. ניקח את התוצאה: צפיפות השטף: yˆ co s t NIm m l avg 1 2 xˆ sin t Bm H m Hm 2 H mונציב( V k t V km cos t k :זה אותו חישוב שעשינו קודם). והזווית . t 9 0 :נקבל : NIm cos t 90 k l avg 1 2 . V km N A m רואים כי בכל פאזה ,המתח המושרה מקדים ב 9 0 -את הזרם באותה הפאזה. 2 נמצא את ההיגב: N A m 2 ב L -יש פקטור: m 2 l avg Vm Im 2 . X S לביטוי L : N A m 2 קוראים השראות סינכרונית ,וההיגב הוא היגב סינכרוני. l a vg .התוצאה הנ"ל נכונה עבור m 1מכיוון שעבור פאזה בודדת הסכום של האיבר השני בפיתוח של H kלא מתאפס (כי יש רק איבר אחד) ולכן אינו נכון כאן .ממילא נשארנו רק עם . m 1 מכונה סינכרונית תלת-פאזית: B כדי להבין את אופן התִפעול נתחיל מהצורה הבאה: יש 3ליפופים על הסטטור והרוטור הוא מגנט קבוע . B r בהזרמת זרם תלת פאזי נקבל B sמסתובב .המגנט של הרוטור B rרוצה להתיישר עם B s ונניח שהוא מתייצב בזווית מסוימת ביחס אליו (ניתן לראות באיור הווקטורי). על כל פאזה יושרו מתחים יחסיים לשטפים (המשולשים בשני האיורים הם דומים). נקבל את מעגל התמורה של מנוע סינכרוני: Xs Br Br A Br Br Br Br C BT V I E V IX s E Bs Br עד כאן הרצאה .12תאריך17.1.12 : מכונה סינכרונית – המשך: ראינו כי צפיפויות שטף יוצרות מתחים מקסימלים מושרים על כל פאזה ע"י כפל . N A Br Br Bs השטף של B sמסתובב קשור לזרם הרב פאזי בליפופי הסטטור. הרוטור הוא מגנט קבוע (או אלקטרומגנט) שרודף בזווית קבועה אחרי ( B sמצב מנוע). הרדיפה תלויה במומנט. Br Br חישוב מומנט: נגדיר זווית שתיקרא זווית המומנט והיא הזווית שבין B rו . B T -המומנט הואBT B r sin : V max N A BT ו2 E eff - המומנט במונחי מתחים מושרים אפקטיביים2V eff : נציב את הביטויים במומנט: 2V E sin 2 N 2 2V E sin A 2 N 2 l |4 המרת אנרגיה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן sin 2 2V E 1 N A 1 ( V חישבנו בהרצאה .)11 . E m ax N A B r sin lA 1 V m ax E m ax 2 N A . lA 2 בשיעור שעבר קיבלנו X s L s :כאשר: P m N 2 V E sin Xs m - m ( L s מספר הפאזות) .נציב בהמשך הפיתוח של המומנט: V E sin Ls m 2V E sin 2 m הביטוי: V E sin 2V E sin A Ls 2 2 N 2 l הוא ההספק בכל פאזה (נראה מיד). Xs רואים כי מדובר ביחס בין ההספק הכולל V E sin mלבין המהירות הזוויתית המכאנית של המנוע (שסימנו.) : Xs נראה כי הביטוי: V E sin הוא אכן ההספק: V IX s Xs מהסרטוט הסמוך (שראינו בסוף ההרצאה האחרונה) ניתן לראות כי. E sin IX s cos : ההספק הוגדר: V I cos V IX s cos Xs V E sin Xs E . Pphase I הפסדים במכונה סינכרונית: Xs r הסטטור מתחמם כתוצאה מהשטף הכולל B Tולכן יש להוסיף rבמקביל למעגל התמורה. נוסיף גם התנגדות rבטור כתוצאה מההפסדים האומים .כמובן ש. r r - (ברוב הספרים לא מתייחסים להפסדים האלה). r E V סיכום מקומי -מצבים: גנרטור תיאור מילולי של המשוואות והסרטוטים מנוע Xs הגנרטור נותן הספק חיובי לרשת. המנוע לוקח הספק חיובי מהרשת. Xs I I E E V V במנוע השטף של הרוטור רודף אחרי השטף של הסטטור והשטף הכללי ,לכן V ( V E :מקדים את .) E בגנרטור השטף של הסטטור (והכללי) רודפים אחרי השטף של הרוטור ,לכן E ( V E :מקדים את .) V הקשרים מתקיימים מהסרטוטים. כפל ב I -של שני אגפים מייצג הספק לפאזה. משוואות ההספקים: ההספקים הכוללים והמדומים: IX s E IX s V I V E I jX I V E s E cos V cos V jX s I E V cos E cos P 3V I co s P 3V I co s Q 3V I sin Q 3V I sin IX s co s E sin IX s co s E sin 3V E sin P 3V E sin Xs E co s V Xs |5 P Xs IX s sin V E co s המרת אנרגיה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן Q 3V V IX s sin E co s V E co s Xs Q 3V הספק מדומה חיובי (נקבע לפי ) V E cos :משמעו שהמנוע הוא צרכן השראותי והספק מדומה שלילי מעיד על צרכן קיבולי. המצב הקיבולי הוא עדיף לרשת כולה כי היא השראותית במקור. במקרה של גנרטור ,אם E cos V :חיובי אז הוא מתנהג כמו עומס קיבולי ובמקרה השלילי להיפך. תרגיל: נתון גנרטור סינכרוני בחיבור E line 11kV . Yוההספק הפעיל שמספק הגנרטור הוא . P 3 M W :ההספק הריאקטיבי הוא Q 2.52 M W :נתון . X s 2 :יש למצוא את V lineואת הזווית. : פתרון: כדי למדוד את המתח Eנשתמש בניסוי ריקם .לכן נתון לנו מתח הקו. נעבור לערכי פאזה 6.35 kV : מההספק הפעיל נקבל: 6 3 10 E line . E ph 3 3V E sin 314.96V P Xs PX s . V sin 3E אנו צריכים עוד משוואה ,ניקח את - E cos V cos :הקשר מהדיאגרמה. נמצא את הזווית מיחסי ההספקים: 40 3 נציב ונקבל 8.28 k cos 40 : נציב במשוואה הראשונה: 0 .0 3 7 9 נעזר בפתיחה טריגונומטרית: 2 .5 2 6.35 k cos 40 cos 40 3 1 4 .9 6 8 2 8 9 .3 Q P . tan . 6.35 k cos 40 V cos 40 V . sin co s 4 0 sin 2 4 0 sin 4 0 0 .0 3 7 9 1 2 ובסוף. 2.75 , 52.7 : לפי ההגדרות נקבל 2 .7 5 :כי היא צריכה להיות חיובית. המתח הוא. V ph 6.6 kV Vl 3V ph 11.43 kV : בסמוך מתוארת הדיאגרמה הפאזורית של הגנרטור. נזכור כי Vמפגר אחרי . I I 40 2.75 E V עד כאן הרצאה .13תאריך24.1.12 : זוגות קטבים: Br שטפים במכונה בעלת זוג קטבים יחיד: N נתבונן בשטפים באופן כללי הנובעים מהרוטור (שחור) ובשטפים הנובעים מהסטטור (אדום). נסמן כיוון צפון ודרום .יש לנו זני זוגות קטבים – אחד לרוטור והשני לסטטור. באיור הבא ניתן לראות תיאור סכמטי של 2זוגות קטבים של הרוטור: קווי השטף מכיוון צפון לדרום באופן כזה שהם יוצאים משיקים מכיוון צפון בזווית אחת ונכנסים משיקים לכיוון דרום בזווית הגדולה ב( . 2 7 0 -במקרה של קוטב יחיד ניתן לראות כי קו שטף יוצא מכיוון צפון בזווית מסוימת ונכנס לכיוון דרום בזווית הגדולה ב . 3 6 0 -ז"א קו השטף עשה סיבוב שלם ,כך ככל שנגדיל את מספר הקטבים נקבל כי קו השטף עושה פחות מעלות תוך כדי שהוא עובר על כל הפאזות של הסטטור). |6 המרת אנרגיה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן N Bs S S N S S N 0 , 360 באיור ממול ניתן לראות כי במצב המתואר של הרוטור ,השטף המגנטי עבור דרך שלושת הליפופים .מכאן שאנו מקבלים מתח חשמלי שלם בחצי סיבוב כי לאחר חצי סיבוב קווי השטף עוברים מחזור שלם על כל פאזה של הסטטור. אנו מסובבים רוטור ומודדים מתחים על פאזות הסטטור כאשר הן מנותקות כלומר גנרטור בנתק .בזמן חצי סיבוב מכאני של הרוטור ,בפאזות A1 , B1 , C 1 יושרו מתחים במחזור חשמלי אחד שלם .כנ"ל הצד ה"-שני" של הרוטור (שלא מצויר) משרה סיבוב חשמלי שלם ב . A2 , B 2 , C 2 -אנו למעשה מחברים בטור את הפאזות A1 A2 , B1 B 2 , C 1 C 2ואוספים מתח תלת פאזי בפאזות המשולבות בטור. נסמן: - f תדירות חשמלית , H z 2 2 - n תדירות מכאנית 1 s 180 C1 B1 360 , 0 . rp s ליפופים 1 A1 , B1 , C1 הסיבובים המכאניים יכולים להיות קטנים מהתדירות החשמלית. מתקיים: f n כאשר - p :מספר זוגות הקטבים. p 3 באיור הסמוך ניתן לראות כי כאשר יש 3קטבים אז באותו הזמן של שליש סיבוב כל שטף משרה מתח שלם על כל פאזה. המטרה היא להוריד מהירות מכאנית תוך כדי הגדלת המומנט שכן: A1 P A ,B ,C 3 3 2 ליפופים 3 ליפופים 2 A ,B ,C 2 2 או P :ורואים כי המומנט נמצא ביחס הפוך לסיבובים עבור אותו ההספק. תרגיל: נתון מנוע סינכרוני בעל 3זוגות קטבים בחיבור .Yמתח ההזנה הוא( V l 480 v :בסטטור). X s 60 , f 60 H z . א .חשב את המומנט תחת צריכת זרם של . cos 1 , I l 80 A ב .בהינתן ש cos 0.8 -מקדים ,חשב את הזרם I lוהמומנט. פתרון: א .מהנתונים רואים שניתן להפעיל ישירות את הנוסחא עם ה. P S cos 3 I lV l 66.5 kW :line- תדר הסיבובים הוא: rad 125.66 sec 2 f p , המומנט הוא: 5 2 9 .2 N m p דרוש Eכדי להמשיך לסעיף ב' .נעבור לערכים פאזיים E ph sin 160 v : מהנתון cos 1 :מסיקים . Q 0 :נקבל: 0 V p h E cos Xs או. E co s V p h 2 7 7 v : משתי המשוואות נקבל (ע"י חילוק). E p h 3 2 0 v , 3 0 : נצייר דיאגרמה על מנת לראות שהכל מסתדר. 6 6 .5 k 1 2 5 .6 6 3V l E ph sin P ( אין הפסדים). 3V ph E ph sin Xs .P Xs j I X V E s Q 3V p h V 277v I = 30 IX s E 320v ב .כעת cos 0.8 :מקדים ולכן המתח ירד מתחת לזרם (כפי שניתן לראות בדיאגרמה הכללית מלפני 2עמודים). מקבלים sin 0.6 :ולכן . 36.86 :היות וההספק תלוי ב E , V ph -ו sin -והיות וההספק לא השתנה אז וודאי ש -ק ֵטנָה .ראינו כי( V ph cos E ph cos :יש להציב ב cos-השני) .נקבל. cos 0.695 : יש 2אפשרויות , 46.172 :נקבל את הפתרונות. 83.042 , 9.3 : |7 המרת אנרגיה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן הגדרנו את בתור חיובית ולכן ניקח את הפתרון החיובי. נחשב את ההספק: והמומנט: 21.9 kW P Xs 2 1 .9 k 174 N m הזרם 32.94 A : 3V ph E ph sin I 1 2 5 .6 6 21.9 k 3 277 0.8 P V 277v . P 3V ph cos =36.86 E 320v . P 3V ph I ph cos I ph בחיבור זה הזרם הוא . I ph I l 32.94 A :נשלים את הדיאגרמה כמתואר בסמוך. V V נתבונן במצב שבו( V E :מנוע) ,נקבל את המצבים הבאים: עד ל 9 0 -המתח מקדים את הזרם וההספק יורד עד שב 9 0 -מקבלים הספק .0 לאחר מכן ההספק שלילי ,או במילים אחרות ,המנוע נהפך לגנרטור. E I E עקב כך מקובל להחליף את הסימון של הזרם לצד השני (שיקוף הציר). במצב הזה נקבל כי , E V :קל לראות זאת כאשר נהפוך את הסרטוט כך שנקבל את הכיוונים שאליהם אנו רגילים. V E I I E V מומנט של מכונה סינכרונית ותלות במהירות הסיבוב: מזרימים זרם תלת פאזי בסטטור ומקבלים B sמסתובב B r .רוצה לרדוף אחריו .אם הוא מגיע לאותה מהירות אזי הזווית בניהם קבועה. נסמן :ונקבל . B s B r sin :במצב שבו הרוטור מסתובב במהירות הקטנה מ , -למשל. : במקרה כזה נקבל B s B r sin s t :ולכן. 0 : המסקנה היא ש 0 -לאורך זמן אך ורק אם מהירות הרוטור שווה לזו של שטף הסטטור (עד כדי כפולה שלמה) . התיאור הגרפי הוא כדלהלן ,כדי להתניע מנוע כזה יש להביא את הרוטור לנקודה הנ"ל ורק אז אפשר להעמיס על המנוע .דרך נוספת היא ע"י התנעה א-סינכרונית. הרעיון הוא לעשות קצר בליפופי הרוטור. s p התנעה א-סינכרונית: מקצרים את כל הליפופים של הרוטור .בהינתן זרם B s ,מסתובב .בכל פעם שהוא מגיע ל 9 0 -ביחס לליפוף מסוים של הרוטור נוצר מתח מושרה מירבי (כפי שכבר ראינו) .במצב זה נקבל כי מהירות הרוטור תגיע למקסימום של חצי מהמהירות של הסטטור. עד כאן הרצאה .14תאריך31.1.12 : הדרן עלך מנוע סינכרוני וסליקא לה קורס המרת אנרגיה חזק חזק ונתחזק |8 המרת אנרגיה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן s