Proces przemiany energii może zachodzić w dwóch kierunkach: maszyna elektryczna może pracować jako prądnica (generator) lub jako silnik.

Podobne dokumenty
Indukcja elektromagnetyczna. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Obwód składający się z baterii (źródła siły elektromotorycznej ) oraz opornika. r opór wewnętrzny baterii R- opór opornika

Mieczysław Ronkowski Michał Michna Grzegorz Kostro Filip Kutt. Pod redakcją Mieczysława Ronkowskiego

Zestaw doświadczalny - siły elektromagnetyczne [ BAP_ doc ]

Wykład FIZYKA II. 4. Indukcja elektromagnetyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Oddziaływanie wirnika

Proces przemiany energii może zachodzić w dwóch kierunkach: maszyna elektryczna może pracować jako prądnica (generator) lub jako silnik.

Czego można się nauczyć z prostego modelu szyny magnetycznej

Magnetostatyka. Bieguny magnetyczne zawsze występują razem. Nie istnieje monopol magnetyczny - samodzielny biegun północny lub południowy.

Silniki prądu stałego z komutacją bezstykową (elektroniczną)

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Temat XXIV. Prawo Faradaya

Szczegółowe kryteria oceniania z fizyki w gimnazjum kl. II

Prawa Maxwella. C o p y rig h t b y p lec iu g 2.p l

Prosty model silnika elektrycznego

MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

PRĄDNICE I SILNIKI. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Pole magnetyczne Ziemi. Pole magnetyczne przewodnika z prądem

Nazwa magnetyzm pochodzi od Magnezji w Azji Mniejszej, gdzie już w starożytności odkryto rudy żelaza przyciągające żelazne przedmioty.

MAGNETYZM. 1. Pole magnetyczne Ziemi i magnesu stałego.

Badanie prądnicy prądu stałego

POLE MAGNETYCZNE Własności pola magnetycznego. Źródła pola magnetycznego

Pole elektromagnetyczne

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Elektromagnetyzm. pole magnetyczne prądu elektrycznego

O różnych urządzeniach elektrycznych

SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Zespół Szkół Technicznych im. J. i J. Śniadeckich w Grudziądzu

Wykład FIZYKA II. 3. Magnetostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

A. istnieniu siły elektrodynamicznej C. zjawisku indukcji elektromagnetycznej B. zjawisku indukcji magnetycznej D. namagnesowaniu zwojnicy

POLITECHNIKA GDAŃSKA LABORATORIUM MASZYNY ELEKTRYCZNE

Zad. 2 Jaka jest częstotliwość drgań fali elektromagnetycznej o długości λ = 300 m.

Pole magnetyczne Wykład LO Zgorzelec

Wykłady z Fizyki. Elektromagnetyzm

Wykład 14. Część IV. Elektryczność i magnetyzm

Podstawy fizyki sezon 2 6. Indukcja magnetyczna

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

Indukcja elektromagnetyczna Faradaya

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

Klasyczny efekt Halla

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

Charakterystyka rozruchowa silnika repulsyjnego

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI

1. Połącz w pary: 3. Aluminiowy pierścień oddala się od nieruchomego magnesu w stronę wskazaną na rysunku przez strzałkę. Imię i nazwisko... Klasa...

Powtórka 5. między biegunami ogniwa przepłynął ładunek 13,5 C. Oblicz pracę wykonaną przez ogniwo podczas przemieszczania ładunku między biegunami.

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Badziak Zbigniew Kl. III te. Temat: Budowa, zasada działania oraz rodzaje mierników analogowych i cyfrowych.

Electromagnetic interactions. Oddziaływania elektromagnetyczne

Maszyny Elektryczne i Transformatory sem. III zimowy 2012/2013

Indukcyjność. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

PRĄDNICA - SILNIK Model rozbierany

Lekcja 59. Histereza magnetyczna

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE kier. Elektrotechnika, studia 2 stopnia stacjonarne, sem. 1, 1, 2012/2013 SZKIC DO WYKŁADÓW Cz. 3

Ćwiczenie nr 43: HALOTRON

mgr inŝ. TADEUSZ MAŁECKI MASZYNY ELEKTRYCZNE Kurs ELEKTROMECHANIK stopień pierwszy Zespół Szkół Ogólnokształcących i Zawodowych

INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA

Pole magnetyczne. Magnes wytwarza wektorowe pole magnetyczne we wszystkich punktach otaczającego go przestrzeni.

Podstawy fizyki sezon 2 7. Układy elektryczne RLC

Pole elektrostatyczne

Podstawy fizyki sezon 2 4. Pole magnetyczne 1

Jeżeli zwój znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B obracamy z prędkością v, to w jego bokach o długości l indukuje się sem o wartości:

Wykład 2 Silniki indukcyjne asynchroniczne

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

POWTÓRKA PRZED KONKURSEM CZĘŚĆ 14 ZADANIA ZAMKNIĘTE

Indukcja elektromagnetyczna

MOMENT MAGNETYCZNY W POLU MAGNETYCZNYM

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Ferromagnetyki, paramagnetyki, diamagnetyki.

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 28 PRĄD PRZEMIENNY

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Badanie transformatora

ELEKTROMAGNETYCZNE PRZETWORNIKI ENERGII DRGAŃ AMORTYZATORA MAGNETOREOLOGICZNEGO

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

Badanie transformatora

Podstawy fizyki sezon 2 5. Indukcja Faradaya

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

3. Przebieg ćwiczenia I. Porównanie wskazań woltomierza wzorcowego ze wskazaniami woltomierza badanego.

Rozkład materiału i wymagania edukacyjne na poszczególne oceny z fizyki i astronomii dla klasy II TE, IITI, II TM w roku szkolnym 2012/2013

dr inż. Zbigniew Szklarski

Miernictwo - W10 - dr Adam Polak Notatki: Marcin Chwedziak. Miernictwo I. dr Adam Polak WYKŁAD 10

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

Ćwiczenie 1. Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem obniżającym.

1. Bieguny magnesów utrzymują gwoździe, jak na rysunku. Co się stanie z gwoździami po zetknięciu magnesów bliższymi biegunami?

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

POMIAR TEMPERATURY CURIE FERROMAGNETYKÓW

Pracę każdej prądnicy w sposób jednoznaczny określają następujące wielkości:

str. 1 Temat: Uzwojenia maszyn prądu stałego. 1. Uzwojenia maszyn prądu stałego. W jednej maszynie prądu stałego możemy spotkać trzy rodzaje uzwojeń:

WYKŁAD 9 POLE MAGNETYCZNE W MASZYNACH PRĄDU STAŁEGO

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

MATERIAŁY I KONSTRUKCJE INTELIGENTNE Laboratorium. Ćwiczenie 2

POLE MAGNETYCZNE Magnetyzm. Pole magnetyczne. Indukcja magnetyczna. Siła Lorentza. Prawo Biota-Savarta. Prawo Ampère a. Prawo Gaussa dla pola

Wprowadzenie do mechatroniki

Transkrypt:

"Jeżeli mogę wytworzyć model mechanizmu to rozumiem, Jeżeli nie mogę - nie rozumiem." lord Kelvin 2 Podstawy fizyczne budowy i działania maszyn elektrycznych Maszyna elektryczna jest urządzeniem do elektromechanicznego przetwarzania energii z udziałem strumienia ładunku elektrycznego (prądu elektrycznego) i strumienia masy ruchu elektrycznego i ruchu mechanicznego. Proces przemiany energii może zachodzić w dwóch kierunkach: maszyna elektryczna może pracować jako prądnica (generator) lub jako silnik. Transformator jest urządzeniem do elektromagnetycznego przetwarzania energii elektrycznej o jednym napięciu na energię o innym napięciu, bez udziału energii mechanicznej (ruchu mechanicznego). Proces przemiany energii w transformatorze może zachodzić w dwóch kierunkach. Podstawą działania i budowy maszyn elektrycznych i transformatorów są dwa odkrycia: efektu magnetycznego prądu (Hans Oersted odkrył 21 kwietnia 1820 r.) i zjawiska indukcji elektromagnetycznej (Michał Faraday odkrył 29 sierpnia 1831 r.). 2.1 Definicja maszyny elektrycznej Maszyna elektryczna jest przetwornikiem do elektromechanicznego przetwarzania (konwersji) energii z udziałem strumienia ładunku elektrycznego (prądu elektrycznego) ruchu elektrycznego i strumienia masy ruchu mechanicznego. Proces przemiany energii w maszynach elektrycznych może zachodzić w dwóch kierunkach: przetwarzania energii elektrycznej (EE) na mechaniczną w silnikach (motorach, rys. 2.1a); przetwarzania energii mechanicznej (EM) na elektryczną w prądnicach (generatorach, rys. 2.1b). a) b) P e U I e Maszyna elektryczna: praca silnikowa m T m Ω m P m P e U I e Maszyna elektryczna: praca prądnicowa m T m Ω m P m Rys. 2.1 Ogólna struktura maszyny elektrycznej i kierunki procesu przetwarzania energii: a) praca silnikowa, b) praca prądnicowa. Wrota e oraz m miejsca przepływu energii/mocy odpowiednio elektrycznej i mechanicznej: Wielkości wrotowe/zaciskowe: Pe moc elektryczna; Pm moc mechaniczna; U napięcie, I prąd, Tm moment obrotowy, Ωm - prędkość kątowa. Przyjęta konwencja strzałkowania w ujęciu grafów wiązań 1 oznacza: moc dopływająca do maszyny jest mocą dodatnią, a moc odpływająca mocą ujemną. 1 Grafy wiązań - metoda graficzna opisu/modelowania systemów przetwarzania energii opracowana przez H. Paintera [2, 18, 39]. Podstawy metody opisano w załączniku do

2.2 Zjawiska fizyczne wykorzystane do budowy maszyn elektrycznych 2.2.1 Podstawy działania Podstawą działania maszyn elektrycznych procesu elektromechanicznego przetwarzania energii, najogólniej rzecz ujmując, są zjawiska związane z wzajemnym oddziaływaniem ładunków elektrycznych. 2.2.2 Pole elektromagnetyczne i jego wielkości charakterystyczne Wzajemne oddziaływanie ładunków elektrycznych opisujemy wprowadzając pojęcie pola elektromagnetycznego. Przez pole elektromagnetyczne rozumiemy przestrzeń, w której na ładunek q działa siła Lorentza [Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania.]: gdzie: E, B v F q ( E + v B) natężenie pola elektrycznego i indukcja pola magnetycznego, wielkości wektorowe zależne od miejsca i czasu obserwacji, prędkość ładunku. Należy zauważyć, że siła Lorentza (rów. (2.1)) jest pomostem między polem elektromagnetycznym a mechaniką. Mechanika wiąże się z ruchem masy w postaci ciała stałego, płynu lub gazu. Możemy zatem powiedzieć, że pomost ten ma charakter elektro-magneto-mechaniczny. Dziedziną, która to opisuję nazywamy elektromechaniką. Zatem rodzą się następujące pytania: co można z tego zbudować? jak to zbudować? Odpowiedzi na te pytania zilustrujemy posługując się prymitywnym modelem maszyny elektrycznej prądu stałego. 2.2.3 Prymitywna maszyna elektryczna a maszyny współczesne Rozważymy dwa warianty prymitywnej maszyny elektrycznej o ruchu obrotowym, w których zastosujemy cykliczne przełączanie uzwojenia komutację prądu zasilania maszyny. Pierwszy wariant prymitywnej maszyny elektrycznej przedstawiamy na rys. 2.2. (2.1) niniejszego e-skrytpu (Modelowanie i symulacja maszyn elektrycznych metodą grafów wiązań).

a) b) c) d) e) f) Rys. 2.2 Prymitywny model maszyny elektrycznej prądu stałego: a) uzwojenie, b) miejsca usunięcia izolacji na końcach przewodów cewki, e) podstawa, podpory zaciski cewki i magnes trwały, d) maszyna złożona, e) praca silnikowa f) praca prądnicowa Maszyna (rys. 2.2) skład się z cewki (uzwojenia), magnesu trwałego i dwóch podpór oraz podstawy. Cewkę wykonujemy z izolowanego przewodu miedzianego, nadając jej kształt ramki. Na podstawie mocujemy magnes trwały, a cewkę ustawiamy na podporach wykonanych z przewodu miedzianego z usuniętą izolacją.

Badanie pracy silnikowej maszyny Opis przygotowania cewki do komutowania przepływu prądu pokazano na rys. 2.2b. Usunięcie izolacji na połowie powierzchni jednej końcówki cewki spowoduje przepływ prądu przez cewkę tylko w czasie połowy jej pełnego obrotu efektem jest działanie siły Lorenzta w tym sam kierunku. Prąd w cewce będzie miał przebieg o charakterze impulsowym ilustruje to pomierzony przebiegu prądu w cewce (rys. 2.3). Rys. 2.3 Pomierzony przebieg prądu cewki maszyny prymitywnej (rys. 2. 9) Zasilacz wymusi w cewce przepływ prąd o natężeniu I. Jest on miarą ładunków poruszających się wzdłuż boków cewki z prędkością v, czyli wielkości q. v w rów. (2.1). Efektem przepływu prądu jest siła Lorentza F, która działa na płynący ładunek w cewce prostopadle do płaszczyzny leżącej na wektorze prędkości ładunku v i wektorze indukcji B zgodnie z regułą iloczynu wektorowego q ( v B) (rys. 2.4). Na rys. 2.4, odpowiednio przekształcając rów. (2.1), podano zależności na siłę Lorentza 2. Siła Lorentza działa na oba boki cewki powstaje zatem moment obrotowy o naturze elektromagnetycznej, który wymusi ruch obrotowy cewki (ilustruje to plik video: model_mps_1.avi adres podany w Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania. do e-skryptu) 3. Ze względu na nierównomierny rozkład indukcji pola magnesu trwałego w obszarze cewki wartości siły Lorentza nie są jednakowe. 2 Pytanie: co wykonuję pracę: siła Lorentza, czy płynący ładunek? 3 Analogiczne filmy dostępne są w Internecie na stronie http://www.youtube.com/. Wystarczy wpisać do wyszukiwarki electric motor.

GENEROWANIE SIŁY LORENTZA: efekt ruchu elektrycznego w polu polu magnetycznym F (q V) B B ( q V) Mieczysław RONKOWSKI 14 Założenie: rozkład indukcji jednorodny wzdłuż prostego przewodu oraz kąt α 90 o F q ( v B) F q v B v L t F B (Q L t ) B I q t F (I L) B Mieczysław RONKOWSKI 15 Rys. 2.4 Wyznaczenie wektora siły Lorentza F działającej na ładunek q poruszajmy się z prędkością v wzdłuż przewodu o długości L umieszczonej w polu o indukcji B Uwaga: cewka wymaga ręcznego popchnięcia ważny jest kierunek wirowania cewki!; aby siła Lorentza działa na boki cewki w tym samym kierunku konieczne jest odpowiednie sterowanie - komutowanie kierunkiem przepływu prądu przez cewkę, czyli cykliczne przełączanie zacisków cewki względem zacisków źródła prądu. Jest to warunek wymuszenia jednokierunkowego ruchu obrotowego; w przypadku jednokierunkowego przepływu prądu przez cewkę braku komutacji średnia wartość moment jest równa zero: maszyna nie wytwarza użytecznej mocy mechanicznej. Badanie pracy prądnicowej maszyny Po podłączeniu woltomierza do szczotek i wymuszeniu ruchu obrotowego cewki (ręczne popchnięcie cewki) zaobserwujemy wychylenie wskazówki miernika. Wychylenie jest efektem przepływu prądu w obwodzie cewka-miernik, który wymusi SEM indukowana w cewce polem magnesu. (ilustruje to plik video: model_mps_2.avi

adres podany w załączniku do e-skryptu). Na rys. 2.5, odpowiednio przekształcając rów. (2.4), podano zależności na indukowaną SEM. Ze względu na to, że jej źródłem jest ruch mechaniczny ruch obrotowy nazywamy ją także SEM rotacji 4. INDUKOWANIE POLA ELEKTRYCZNEGO SEM SEMROTACJI :: efekt ruchu mechanicznego w polu polu magnetycznym E V B Mieczysław RONKOWSKI 20 Założenie: rozkład indukcji jednorodny wzdłuż prostego przewodu oraz kąt α 90 o E ( V B) INDUKOWANE POLE ELEKTRYCZNE E v B NAPIĘCIE INDUKOWANE - SEM ROTACJI E L v B E L v B Mieczysław RONKOWSKI 25 Wnioski: Rys. 2.5 Wyznaczenie wektora pola elektrycznego E oraz indukowanej SEM rotacji E dla przypadku przewodu o długości L poruszającego się prędkością v w polu o indukcji B ruch ładunku (ruch elektryczny) w polu magnetycznym wymusza ruch mechaniczny (wirowanie cewki) maszyna pracuje jako silnik; ruch mechaniczny cewki (wirowanie cewki) w polu magnetycznym indukuje pole elektryczne - napięcie na zaciskach cewki (SEM rotacji), które może wymusić przepływ prądu - maszyna pracuje jako prądnica; maszyna elektryczna jest maszyną odwracalną. Podstawową wadą maszyny (rys. 2.2) jest wykorzystanie jej uzwojenia zużytej miedzi do jej budowy tylko w ciągu połowy obrotu (połowy jednego cyklu pracy). 4 Powstaje pytanie: gdzie jest źródło mocy/energii w obwodzie elektrycznym?

Materiały do nauczania: [1] Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Electrical Engineering and Computer Science. http://www.eecs.mit.edu/ [2] 6.061 / 6.690 Introduction to Electric Power Systems (Undergraduate Courses/ Graduate Courses) http://ocw.mit.edu/ocwweb/electrical-engineeringand-computer-science/6-061spring-2007/coursehome/index.htm [3] 6.685 Electric Machines (Graduate Courses) http://ocw.mit.edu/ocwweb/electrical-engineering-and-computer- Science/6-685Fall-2005/CourseHome/index.htm [4] Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Physics. http://web.mit.edu/physics/ [5] 8.02 Electricity and Magnetism (freshman physics class in electromagnetism, complete set of videotaped lectures) http://ocw.mit.edu/ocwweb/physics/8-02electricity-and- MagnetismSpring2002/CourseHome/index.htm [6] Ronkowski M.: MASZYNY ELEKTRYCZNE (Kier. Energetyka). Materiały pomocnicze. http://www.ely.pg.gda.pl/e-mechatronika/index.php?stronadydaktyka