Elektrik makinesi - Electric machine

Gelen elektrik mühendisliği , elektrik makinesi için kullanılan genel bir terimdir makineleri kullanılarak elektromanyetik kuvvetleri gibi, elektrik motorları , elektrik jeneratörleri ve diğerleri. Bunlar elektromekanik enerji dönüştürücülerdir: bir elektrik motoru elektriği mekanik güce dönüştürürken bir elektrik jeneratörü mekanik gücü elektriğe dönüştürür. Bir makinedeki hareketli parçalar dönen ( dönen makineler ) veya doğrusal ( doğrusal makineler ) olabilir. Motorların ve jeneratörlerin yanı sıra, genellikle dahil edilen üçüncü bir kategori , hareketli parçaları olmamasına rağmen , alternatif akımın voltaj seviyesini değiştiren enerji dönüştürücüler olan transformatörlerdir .

Jeneratör şeklindeki elektrik makineleri, Dünya üzerindeki neredeyse tüm elektrik gücünü üretir ve elektrik motorları şeklinde üretilen tüm elektrik gücünün yaklaşık %60'ını tüketir. Elektrikli makineler 19. yüzyılın ortalarından itibaren geliştirildi ve o zamandan beri altyapının her yerde bulunan bir bileşeni oldu. Daha verimli elektrikli makine teknolojisi geliştirmek, herhangi bir küresel koruma, yeşil enerji veya alternatif enerji stratejisi için çok önemlidir .

Jeneratör

Elektrik jeneratörü.

Bir elektrik jeneratörü, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Bir jeneratör, elektronları harici bir elektrik devresinden akmaya zorlar . Bir su akışı oluşturan ancak içindeki suyu oluşturmayan bir su pompasına biraz benzer. Mekanik enerjinin kaynağı, ana hareket ettirici , pistonlu veya türbinli bir buhar motoru , bir türbin veya su çarkından düşen su , içten yanmalı bir motor , bir rüzgar türbini , bir el krankı , basınçlı hava veya başka herhangi bir mekanik enerji kaynağı olabilir.

Bir elektrik makinesinin iki ana parçası, mekanik veya elektriksel terimlerle tanımlanabilir. Mekanik terimlerle, rotor dönen kısımdır ve stator bir elektrik makinesinin sabit kısmıdır. Elektriksel terimlerle, armatür, güç üreten bileşendir ve alan, bir elektrikli makinenin manyetik alan bileşenidir. Armatür, rotor veya stator üzerinde olabilir. Manyetik alan iki tarafından sağlanabilir elektromıknatıslar ya da kalıcı mıknatıslar rotor veya stator ya da monte edilebilir. Jeneratörler, AC jeneratörler ve DC jeneratörler olmak üzere iki tipe ayrılır .

AC jeneratör

Bir AC jeneratör , mekanik enerjiyi alternatif akım elektriğine dönüştürür . Alan devresine aktarılan güç, armatür devresine aktarılan güçten çok daha az olduğundan, AC jeneratörleri neredeyse her zaman rotorda alan sargısına ve statorda armatür sargısına sahiptir.

AC jeneratörler çeşitli tiplere ayrılır.

  • Bir endüksiyon jeneratöründe , stator manyetik akısı rotordaki akımları indükler. Ana hareket ettirici daha sonra rotoru senkron hızın üzerine çıkararak karşıt rotor akısının stater bobinlerinde aktif akım üreten stater bobinlerini kesmesine ve böylece gücü elektrik şebekesine geri göndermesine neden olur. Bir endüksiyon jeneratörü, bağlı sistemden reaktif güç çeker ve bu nedenle izole bir güç kaynağı olamaz.
  • Bir de Senkron jeneratör (alternatör) , manyetik alan için mevcut ayrı tarafından sağlanan DC akım kaynağı .

DC jeneratör

DC jeneratör, mekanik enerjiyi Doğru Akım elektrik enerjisine dönüştüren bir makinedir. Bir DC jeneratörü, genellikle alternatif akım yerine doğru akım üretmek için bölünmüş halkalı bir komütatöre sahiptir.

Motor

Elektrik motoru.

Bir elektrik motoru, dönüştürür elektrik enerjisi haline mekanik enerji . Elektrik jeneratörlerinin tersi işlemi, çoğu elektrik motoru , dönme kuvveti oluşturmak için etkileşimli manyetik alanlar ve akım taşıyan iletkenler aracılığıyla çalışır . Motorlar ve jeneratörler birçok benzerliğe sahiptir ve birçok elektrik motoru türü jeneratör olarak çalıştırılabilir veya bunun tersi de mümkündür. Elektrik motorları, endüstriyel fanlar, üfleyiciler ve pompalar, takım tezgahları, ev aletleri, elektrikli aletler ve disk sürücüleri gibi çok çeşitli uygulamalarda bulunur . Doğru akımla veya alternatif akımla çalıştırılabilirler, bu da iki ana sınıflandırmaya yol açar: AC motorlar ve DC motorlar .

alternatif akım motoru

Bir AC motor , alternatif akımı mekanik enerjiye dönüştürür. Genellikle iki temel parçadan oluşur, dönen bir manyetik alan oluşturmak için alternatif akımla beslenen bobinlere sahip bir dış sabit stator ve dönen alan tarafından bir tork verilen çıkış miline bağlı bir iç rotor. İki ana AC motor tipi, kullanılan rotor tipine göre ayırt edilir.

DC motoru

Fırçalı DC elektrik motoru iç komutasyonu, sabit kalıcı mıknatıslar kullanılarak ve elektriksel mıknatısların döndürerek motora sağlanan DC güç şirketinden tork üretir. Fırçalar ve yaylar, elektrik akımını komütatörden motorun içindeki rotorun dönen tel sargılarına taşır . Fırçasız DC motorlar , rotorda dönen bir sabit mıknatıs ve motor gövdesinde sabit elektrik mıknatısları kullanır. Bir motor kontrolörü DC'yi AC'ye dönüştürür . Bu tasarım, fırçalı motorlardan daha basittir çünkü motorun dışından dönen rotora güç aktarma karmaşıklığını ortadan kaldırır. Fırçasız, senkron DC motora bir örnek, tam dönüşü çok sayıda adıma bölebilen bir step motordur .

Diğer elektromanyetik makineler

Diğer elektromanyetik makineler arasında Amplidyne , Synchro , Metadyne , Girdap akımı kavraması , Girdap akımı freni , Girdap akımı dinamometresi , Histeresis dinamometresi , Döner dönüştürücü ve Ward Leonard seti bulunmaktadır . Döner dönüştürücü, mekanik doğrultucu, invertör veya frekans dönüştürücü olarak işlev gören makinelerin bir kombinasyonudur. Ward Leonard seti, hız kontrolü sağlamak için kullanılan makinelerin bir kombinasyonudur. Diğer makine kombinasyonları Kraemer ve Scherbius sistemlerini içerir.

trafo

Transformatör.

Bir transformatör, frekansı değiştirmeden alternatif akımı bir voltaj seviyesinden başka bir seviyeye (daha yüksek veya daha düşük) veya aynı seviyeye dönüştüren statik bir cihazdır . Bir transformatör, elektrik enerjisini bir devreden diğerine endüktif olarak bağlanmış iletkenler (transformatörün bobinleri) aracılığıyla aktarır . Birinci veya birincil sargıdaki değişen bir elektrik akımı , transformatörün çekirdeğinde değişen bir manyetik akı ve dolayısıyla ikincil sargı boyunca değişen bir manyetik alan yaratır . Bu değişen manyetik alan , ikincil sargıda değişen bir elektromotor kuvveti (emk) veya " gerilim " indükler . Bu etkiye karşılıklı indüksiyon denir .

Üç tip transformatör vardır

  1. Yükseltici transformatör
  2. Düşürücü transformatör
  3. İzolasyon transformatörü

Yapısına göre dört tip transformatör vardır.

  1. çekirdek tipi
  2. kabuk tipi
  3. güç türü
  4. enstrüman tipi

Elektromanyetik rotorlu makineler

Elektromanyetik rotorlu makineler , rotorda, stator sargılarıyla etkileşen bir manyetik alan oluşturan bir tür elektrik akımına sahip makinelerdir. Rotor akımı, kalıcı bir mıknatıstaki (PM makinesi) dahili akım, rotora fırçalar aracılığıyla sağlanan bir akım (Fırçalı makine) veya değişen bir manyetik alan tarafından kapalı rotor sargılarında kurulan bir akım (İndüksiyon makinesi) olabilir.

Kalıcı mıknatıs makineleri

PM makinelerinin rotorunda manyetik alan oluşturan kalıcı mıknatıslar bulunur. Bir PM'deki manyetomotor kuvvet (yörüngesi hizalanmış elektronların neden olduğu) genellikle bir bakır bobinde mümkün olandan çok daha yüksektir. Bununla birlikte bakır bobin, bobine çok daha düşük manyetik isteksizlik veren ferromanyetik bir malzeme ile doldurulabilir . Yine de modern PM'ler ( Neodymium mıknatıslar ) tarafından oluşturulan manyetik alan daha güçlüdür, bu da PM makinelerinin sürekli çalışma altında rotor bobinli makinelere göre daha iyi bir tork/hacim ve tork/ağırlık oranına sahip olduğu anlamına gelir. Bu, rotora süperiletkenlerin eklenmesiyle değişebilir.

Bir PM makinesindeki kalıcı mıknatıslar zaten önemli miktarda manyetik isteksizlik oluşturduğundan, hava boşluğu ve bobinlerdeki isteksizlik daha az önemlidir. Bu, PM makinelerini tasarlarken önemli ölçüde özgürlük sağlar.

Bobinlerdeki akım, makinenin parçalarını hasara neden olacak bir sıcaklığa ısıtıncaya kadar, elektrikli makineleri kısa bir süre için aşırı yüklemek genellikle mümkündür. PM makineleri, bobinlerdeki çok yüksek akım, mıknatısları demanyetize edecek kadar güçlü bir manyetik alan oluşturabileceğinden, bu tür aşırı yüklenmeye daha az maruz kalabilir.

fırçalanmış makineler

Fırçalı makineler , rotor bobininin, bir elektrikli yarıklı araba pistinde araca akımın sağlandığı şekilde, fırçalar aracılığıyla akım ile beslendiği makinelerdir . Daha dayanıklı fırçalar grafit veya sıvı metalden yapılabilir. Hatta rotor ve statorun bir kısmını tork oluşturmadan akım ileten bir transformatör olarak kullanarak "fırçalı bir makinede" fırçaları ortadan kaldırmak mümkündür. Fırçalar bir komütatör ile karıştırılmamalıdır. Fark, fırçaların sadece elektrik akımını hareketli bir rotora aktarırken, bir komütatör de akım yönünün değiştirilmesini sağlamasıdır.

Stator bobinlerinin arkasında siyah demire ek olarak rotor bobinleri arasında demir (genellikle sacdan yapılmış lamine çelik çekirdekler ) ve stator bobinleri arasında demir dişler bulunur. Rotor ve stator arasındaki boşluk da mümkün olduğunca küçük yapılmıştır. Bütün bunlar, rotor bobinleri tarafından oluşturulan manyetik alanın içinden geçtiği manyetik devrenin manyetik relüktansını en aza indirmek için yapılır; bu, bu makineleri optimize etmek için önemli olan bir şeydir.

Stator sargılarına senkron hızda DC ile çalışan büyük fırçalı makineler , santrallerde en yaygın jeneratörlerdir , çünkü şebekeye de reaktif güç sağlarlar , çünkü türbin tarafından başlatılabilirler ve bu sistemdeki makine, kontrolör olmadan sabit hızda güç üretir. Bu tip makineler literatürde genellikle senkron makine olarak anılır.

Bu makine aynı zamanda stator bobinlerini şebekeye bağlayarak ve rotor bobinlerine bir invertörden AC ile besleyerek de çalıştırılabilir. Avantajı, makinenin dönüş hızının kısmi olarak derecelendirilmiş bir invertör ile kontrol edilmesinin mümkün olmasıdır. Bu şekilde çalıştırıldığında, makine fırçalanmış çift beslemeli "indüksiyon" makinesi olarak bilinir . "İndüksiyon" yanıltıcıdır çünkü endüksiyonla kurulan makinede faydalı akım yoktur.

Endüksiyon makineleri

Endüksiyon makinelerinde , akımın endüksiyonla kurulduğu ve korunduğu kısa devreli rotor bobinleri bulunur. Bu, rotor bobinlerinin stator bobinleri tarafından oluşturulan değişken bir manyetik alana maruz kalması için rotorun senkron hızdan başka bir hızda dönmesini gerektirir. Asenkron makine asenkron bir makinedir.

İndüksiyon, bir elektrikli makinede genellikle zayıf bir parça olan fırça ihtiyacını ortadan kaldırır. Ayrıca rotorun üretilmesini çok kolaylaştıran tasarımlara da izin verir. Metal bir silindir rotor olarak çalışacaktır, ancak verimliliği artırmak için genellikle bir "sincap kafesli" rotor veya kapalı sargılı bir rotor kullanılır. Asenkron asenkron makinelerin hızı artan yük ile azalacaktır çünkü yeterli rotor akımı ve rotor manyetik alanı oluşturmak için stator ve rotor arasında daha büyük bir hız farkı gereklidir. Asenkron endüksiyon makineleri, bir AC şebekesine bağlıysa herhangi bir kontrol aracı olmadan başlayıp çalışacak şekilde yapılabilir, ancak başlangıç ​​torku düşüktür.

Özel bir durum, rotorunda süper iletkenler bulunan bir endüksiyon makinesi olacaktır. Süperiletkenlerdeki akım endüksiyonla kurulacak, ancak rotor akımını korumak için statordaki manyetik alan ile rotor hızı arasında bir hız farkına gerek olmayacağından rotor senkron hızda çalışacaktır.

Başka bir özel durum , statorda çift bobin seti bulunan fırçasız çift beslemeli endüksiyon makinesi olacaktır . Statorda iki hareketli manyetik alana sahip olduğu için senkron veya asenkron hızdan bahsetmek bir anlam ifade etmez.

isteksizlik makineleri

Relüktans makinelerinin rotorunda sargı yoktur, yalnızca statordaki "elektromıknatısların" rotordaki dişleri "yakalayabilmesi" ve biraz ilerletebilmesi için şekillendirilmiş ferromanyetik bir malzeme vardır. Elektromıknatıslar daha sonra kapatılırken, rotoru daha fazla hareket ettirmek için başka bir elektromıknatıs seti açılır. Diğer adı step motordur ve düşük hız ve hassas pozisyon kontrolü için uygundur. Relüktans makineleri, performansı artırmak için statorda kalıcı mıknatıslarla sağlanabilir. “Elektromıknatıs” daha sonra bobine negatif bir akım göndererek “kapatılır”. Akım pozitif olduğunda, mıknatıs ve akım, akımın maksimum mutlak değerini artırmadan relüktans makinesinin maksimum torkunu iyileştirecek daha güçlü bir manyetik alan oluşturmak için birlikte çalışır.

Elektrostatik makineler

Gelen elektrostatik makinelerin , tork cazibe veya rotor ve stator içinde elektrik yükünün itme tarafından oluşturulur.

Elektrostatik jeneratörler , elektrik yükü oluşturarak elektrik üretir. İlk türler sürtünme makineleriydi, sonrakiler elektrostatik indüksiyonla çalışan etki makineleriydi . Van de Graaff jeneratörü bugün hala araştırmalarında kullanılan elektrostatik jeneratör.

Homopolar makineler

Homopolar makineler , akımın dönen bir tekerleğe fırçalar aracılığıyla sağlandığı gerçek DC makinelerdir. Tekerlek bir manyetik alana yerleştirilir ve akım manyetik alan boyunca tekerleğin kenarından merkezine doğru hareket ederken tork oluşturulur.

Elektrikli makine sistemleri

Elektrikli makinelerin optimize edilmiş veya pratik çalışması için günümüzün elektrikli makine sistemleri elektronik kontrol ile tamamlanmaktadır.

Referanslar

  • Chapman, Stephen J. 2005. Elektrik Makinalarının Temelleri. 4. Baskı. New York: McGraw Tepesi.

daha fazla okuma

  • Chisholm, Hugh, ed. (1911). "Elektrik Makinesi"  . Ansiklopedi Britannica . 9 (11. baskı). Cambridge Üniversitesi Yayınları. s. 176–179. Bu, elektrik makinelerinin çağdaş tarihi ve durumu hakkında ayrıntılı bir incelemeye sahiptir.