1 / 40

ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI Ak.god. 2008/2009

ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI Ak.god. 2008/2009. Nastavnici : Prof.dr.sc. Željko Jakopović Prof.dr.sc. Fetah Kolonić zeljko.jakopovic@fer.hr fetah.kolonic@fer.hr. Zavod zadužen za organizaciju i provedbu nastave:

brook
Download Presentation

ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI Ak.god. 2008/2009

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI Ak.god. 2008/2009 Nastavnici: Prof.dr.sc. Željko Jakopović Prof.dr.sc. Fetah Kolonić zeljko.jakopovic@fer.hr fetah.kolonic@fer.hr • Zavod zadužen za organizaciju i provedbu nastave: Zavod za elektrostrojarstvo i automatizaciju(ZESA, IV kat, C zgrada, www.esa.fer.hr) • Nastava se održava prema važećoj satnici u predviđenim prostorijama (predavanja B5, vježbe u laboratorijima na IV katu) • Web stranice predmeta – http://www.fer.hr/predmet/elesus

  2. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI Ak.god. 2008/2009 • Organizacija nastave • Predavanja, 3 bloka (1 x 5 tjedana x 3 sata ; 2 x 4 tjedna x 3 sata,) • 1. blok (08.10.-10.10.) (efektivno 4 tjedna, 8.10. je praznik !) • 2. blok (27.10.-21.11.) • 3. blok (08.12.-16.01.09.) (praznici od 22.12. 09. do 2.1.09.) • Rad u laboratoriju, 3 tjedna x 5 sati • 1. blok (06.10.-10.10.) • 2. blok (17.11.-21.11.) • 3. blok (12.01.09.-16.01.09.)

  3. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI • Polaganje ispita • 1. međuispit (13.10.-24.10.) • 2. međuispit (24.11.-05.12.) • Završni ispit (19.01.09.-30.01.09.) • Ponovljeni završni ispit (02.02.09.-06.02.09.) • Rezultati međuispita i završnih ispita se objavljuju na web stranicihttp://www.fer.hr/predmet/elesus.

  4. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI • Način ocjenjivanja – prema fakultetskim pravilima, FER2 • Prisustvo nastavi ne boduje se ali se preporuča • Domaće zadaće 3x5 bodova = 15 bodova, DZ je priprema za lab. vježbu, provjerava se na vježbi • Rad u laboratoriju 3x5 bodova = 15 bodova • Međuispiti 2x15 bodova = 30 bodova, pismeno rješavanje zadataka • Završni ispit 40 bodova (pismeni 30, usmeni 10), (uvjet za izlazak na završni ispit je barem 40% sakupljenih bodova iz svih dosadašnjih aktivnosti) • Prag za prolaz ≥ 50 bodova (od 100) • Moguće male korekcije načina ocjenjivanja tijekom semestra.

  5. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI • Traže se DEMONSTRATORI – do 6 izvrsnih studenata • Za pomoć nastavnicima u izvođenju nastave, posebno laboratorijskih vježbi. • Laboratorijske vježbe sastoje se od modeliranja, simulacije i mjerenja na stvarnim sklopovima, uređajima i sustavima • Preduvjet je dobro poznavanje MATLAB/SIMULINK okruženja, te želja za učenjem još jednog simulacijskog alata – SIMPLORER (www.ansoft.com), kao i interes za rad u laboratoriju. • Nagrađivanje prema fakultetskom pravilniku, stimulativno ocjenjivanje zadaća i rada u laboratoriju, te eventualno dodatno do 10 bodova za uspješno obavljanje demonstratorskih zadataka. • Prijave osobno ili E-poštom (u prijavi navesti ime i prezime, broj položenih ispita i prosječnu ocjenu)

  6. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI • Literatura • Izuzetno opsežna, ne postoje samo jedna ili dvije preporučljive knjige • Za svaku temu objavit će se preporučljiva literatura • Predavanja (PPT) će biti postavljana na Web neposredno nakon što su održana • Na Web stranicama predmeta postavit će se i mnogobrojni dodatni materijali za učenje i vježbu (uključujući korisne internet poveznice)

  7. ELEKTROMEHANIČKI SUSTAVI Tema 1 Elektromagnetska pretvorba

  8. Elektromehanički sustavi • Preporučena literatura: • R. Wolf: Osnove električnih strojeva, Školska knjiga, Zagreb, 1991. • B. Jurković: Elektromotorni pogoni, Školska knjiga, Zagreb, 1985. • N. Mohan: Advanced Electric Drives-Analyses, Control and Modeling using Simulink, MNPERE, Mineapolis, 2001. • D. Ban, V. Štivčević, I. Gašparac: Osnove elektromehaničke pretvorbe energije i električnih strojeva (Zbirka zadataka i ispitnih pitanja), Element, Zagreb, 1996. • M.Jadrić, B. Frančić: Dinamika električnih strojeva, Graphis, 2004.

  9. Elektromehanički sustavi • Što je elektromehanički sustav (EMS)? To je sustav koji se sastoji iz minimalno jednog električnog i jednog mehaničkog sustava koji su vezani elektro-magnetskim poljem putem kojega se ostvaruje njihovo međusobno djelovanje Polje sprege Električni sustav Mehanički sustav U, I M, n • Elektromagnetsko djelovanje je polje sprege. • Kao rezultat međusobnog djelovanja ostvaruje se prijelaz energije iz električnog u mehanički sustav ili obratno

  10. Elektromehanički sustavi

  11. Elektromehanički sustavi Struktura elektroničkog energetskog (učinskog) pretvarača

  12. Elektromehanički sustavi • Što je naša zadaća? • Upoznati se sa osnovnom strukturom (komponentama) elektromehaničkog sustava • Proučiti komponente, njihov način rada i način kako se s njima može upravljati s ciljem postizanja pretvorbe električne energije u mehaničku i obratno • Pri sintezi ems-a voditi računa o energetskoj učinkovitosti (veliki faktor korisnosti, minimalno “zagađenje” pojne mreže), sigurnosti rada sustava • Postaviti zahtjeve na komponente ems-a s ciljem postizanja gore navedenih zahtjeva • Mi će mo se usredotočiti uglavnom na elektromehaničke sustave kod kojih se pretvorba energije ostvaruje da bi se postiglo gibanje. • To gibanje može biti translacijsko (linearno) ili rotacijsko

  13. Elektromehanički sustavi Bilanca energije u elektromehaničkom sustavu • Energija koju EMS razmijeni selektričnim sustavom WE = Wel + Wae+ Wge (1) Električna energija u magnetskom polju koja ne pripada polju sprege (rasipanje) Gubici u električnom sustavu (toplina) Električna energija predana polju sprege Energija električnog izvora Pozitivna ako EMS PRIMA energiju od električnog sustava GUBICI

  14. Elektromehanički sustavi Bilanca energije u elektromehaničkom sustavu • Energija koju EMS razmijeni smehaničkim sustavom WM = Wmeh + Wam+ Wgm (2) Energija akumulirana u pokretnim i elastičnim dijelovima meh. sustava Gubici u mehaničkom sustavu (toplina) Energija meh. sustava predana polju sprege Energija mehaničkog izvora Pozitivna ako EMS PRIMA energiju od mehaničkog sustava GUBICI

  15. Energija akumulirana u polju sprege Elektromehanički sustavi Bilanca energije u elektromehaničkom sustavu WF = Wf + Wgf (3) • Gubici u polju sprege: • vrtložne struje • histereza • dielektrični gubici (za el. polje) Ukupna energija koja se unosi u polje sprege • Na osnovi Zakona o održanju energije slijedi: Wf+ Wgf=(WE - Wge- Wae) +(WM - Wgm- Wam) (4) (5) Wf+ Wgf = Wel+ Wmeh Ukupna energija u polju sprege El. energija u razmjeni s poljem sprege Meh. energija u razmjeni s poljem sprege

  16. Elektromehanički sustavi Bilanca energije u elektromehaničkom sustavu Slikoviti prikaz Zakona o održanju energije (prethodni slide) Wgm Wge Wgf Wel Wmeh WE WM Wam Wae Wf Polje sprege Električni sustav Mehanički sustav

  17. k R L i f m + - + - fe e u D x x0 Elektromehanički sustavi - Primjer Naponska jednadžba električnog sustava (6) Jednadžba gibanja (Newtonov zakon) (7) (8) Inducirani napon (protuelektromotorna sila)

  18. Elektromehanički sustavi Opis komponenata EMS-a: R → parametar namota, omski otpor i L → parametar namota, induktivitet (dijela EMS-a koji nije spregnut s mehaničkim sustavom – rasipanje) K → parametar opruge, koeficijent elastičnosti (krutosti) D → parametar opruge, koeficijent prigušenja m → masa mehaničkog sustava f → vanjska sila koja djeluje na mehanički sustav (masu m) fe→ elektromagnetska sila x0→ ravnotežni položaj mehaničkog sustava određen položajem mase m kada su sile f i fe jednake (sile f i fe su pozitivne ako x raste!) x → pomak, mehanička varijabla

  19. Elektromehanički sustavi Energija koju EMS u vremenu dt razmijeni s ELEKTRIČNIM sustavom (9) Gubici akumulirani u otporu i u rasipnom polju Energija koju EMS u vremenu dt razmijeni s MEHANIČKIM sustavom Gubici akumulirani u masi i opruzi Gubici trenja (opruga učvršćena na zid) (10) VAŽNO: Pretpostavka je da pozitivna fe djeluje u smjeru pozitivnog pomaka dx! To znači da se u slučaju istog predznaka energija prenosi iz polja sprege u mehanički sustav, tj. radi se o pretvorbi ELEKTRIČNE u MEHANIČKU energiju

  20. Elektromehanički sustavi • U promatranom EMS-u polje sprege je MAGNETSKO polje, pa se za akumuliranu energiju polja sprege koristi pojam MAGNETSKA energija i označava se s Wm. • Na osnovi prethodnih razmatranja, za prirast akumulirane magnetske energijedWm,dobije se (11) (12) • Jednadžba se može poopćiti na EMS s proizvoljnim brojem električnih i mehaničkih ulaza i proizvoljnim brojem sprega.

  21. Mehanička - Električna pretvorba P P meh el Električna mreža POGONSKI ELEKTRIČNI STROJ GENERATOR Električna - Mehanička pretvorba Električna mreža P el P meh Tehnološki ELEKTRIČNI RADNI STROJ MOTOR proces Elektromehanički sustavi • Načelo rada električnih rotacijskih i translacijskih strojeva • Za pretvorbu energije je neophodno mehaničko gibanje

  22. Smjer elektromagnetske sile Fem je definiran pravilom desnog vijka. • Sila djeluje u smjeru napredovanja vijka Elektromehanički sustavi ZA POTSJETNIK : osnove elektromehaničke pretvorbe 1. Sila na naboj koji se giba u magnetskom polju indukcije B: (13)

  23. Elektromehanički sustavi ZA POTSJETNIK: osnove elektromehaničke pretvorbe 2. Inducirani napon u vodiču koji se giba u magnetskom polju • Ako se vodič giba okomito na magnetsko polje, pozitivni i negativni naboji se razdvajaju na krajeve vodiča – javlja se napon! (14) • Smjer induciranog napona je definiran pravilom desne ruke (ili desnog vijka). Ako silnice ulaze u dlan a palac pokazuje smjer gibanja vodiča, pozitivan napon je u smjeru vrhova prstiju

  24. Elektromehanički sustavi ZA POTSJETNIK: osnove elektromehaničke pretvorbe 3. Sila na vodič protjecan strujom u magnetskom polju • Ako se vodič protjecan strujom nalazi (ili giba) u magnetskom polju, na njega djeluje elektromagnetska sila! (15) Sila na vodič ne znači da smo dobili bilo kakav mehanički rad !! • Smjer elektromagnetske sile je definiran pravilom lijeve ruke (ili desnog vijka). Ako silnice ulaze u dlan a vrhovi prstiju pokazuju smjer struje u vodiču, smjer sile je u smjeru palca

  25. Elektromehanički sustavi ZA POTSJETNIK: osnove elektromehaničke pretvorbe 4. Smjer pretvorbe energije (a) • Ako se vodič ili giba brzinom v uslijed sile F u magnetskom polju B, inducirat će se napon E prema slici. • Ako se krajevi vodiča spoje preko trošila (otpornika), poteče struja I pa na vodič djeluje elektromagnetska sila Fe suprotna sili F ! (16) El.energija u intervalu dt (17) Mehanički rad je negativan (smjer sile i puta nisu u suglasju !

  26. Elektromehanički sustavi ZA POTSJETNIK: osnove elektromehaničke pretvorbe 4. Smjer pretvorbe energije (b) • Nakon priključivanja trošila, zbog pojave struje I i elektromagnetske sile Fe, mora se osigurati vanjska sila F =Fe. • Negativni predznak izvršenog rada znači da mehanički sustav ne prima nego mora dati energiju (utrošiti rad) da bi se vodič nastavio gibati istom brzinom kroz vrijeme dt • Uvrštenjem izraza za silu Fe inducirani napon E (18) (19) • Električna energija je dobivena a mehanička je potrošena. Ovaj primjer ilustrira mehaničko-električnu pretvorbu, tj. rad generatora

  27. Elektromehanički sustavi ZA POTSJETNIK: osnove elektromehaničke pretvorbe 4. Smjer pretvorbe energije (c) (20) (21) • Mehanička energija je dobivena a električna je potrošena. Ovaj primjer ilustrira električno– mehaničku pretvorbu, tj. rad motora

  28. Elektromehanički sustavi ZA POTSJETNIK: osnove elektromehaničke pretvorbe 4. Smjer pretvorbe energije (d) (21) • U je napon električnog sustava, E je inducirana ems prema izrazu (14) • Dok je U > E, struja ima smjer označen na slici, motorski rad; sila Feje u smjeru prirasta putavdt • Kada je U = E, struja je jednaka nuli, nema pretvorbe. • Kada je U < E, struja mijenja predznak, generatorski rad; sila Fe je suprotna smjeru prirasta puta vdt • R je ukupni otpor strujnog kruga.

  29. Elektromehanički sustavi ZA POTSJETNIK: • Zakon protjecanja (Ampereov zakon) • Linijski integral magnetskog polja H po zatvorenoj konturi jednak je ukupnoj struji što prolazi kroz površinu koju ta kontura zatvara (22) magnetski napon odsječka 2-3 • Veza indukcije B i magnetskog polja H u svakoj točki je

  30. Elektromehanički sustavi Za elektromehaničku pretvorbu je neophodno Magnetsko polje Vodiči smješteni u magnetskom polju Relativno gibanje vodiča prema silnicama mag. polja Priključci vodiča na vanjski električni strujni krug Prijenos razvijenog momenta (ili sile) na radni mehanizam

  31. Elektromehanički sustavi 1. Magnetsko polje: Može se ostvariti elektromagnetima ili trajnim (permanentnim) magnetima. Trajni magneti su vrlo ograničenih dimenzija i koriste se za električne strojeve malih (ograničenih) dimenzija i snaga. Ograničenja u izrazu E = B l v: - veličina indukcije (B) ograničena je zasićenjem feromagnetskih materijala Bz ≈ (1,7 - 2) T - dužina vodiča (l) je ograničena mehaničkim razlozima (problemi gradnje) - brzina je ograničena čvrstoćom materijala, gubicima trenja i zagrijavanjima zbog trenja

  32. Magnetsko polje s trajnim (permanentnim) magnetom Magnetski krug ostvaren trajnim magnetom, mekim željezom i zračnim rasporom u kojemu se giba vodič. B – indukcija u zračnom rasporu Φ – magnetski tok u jezgri (konstantan)

  33. Magnetsko polje stvoreno istosmjernom strujom KONSTANTNA struja se u ind. primjenama realizira pomoću sklopova energetske elektronike (regulirani strujni izvor) • Ovo je načelo elektromagneta. • i0 je uzbudna struja koja stvara magnetski tok. • Praktički nema ograničenja na veličine magneta i magnetskog kruga. • Promjenom otpora R u uzbudnom namotu mijenja se veličina struje i0, a s tom promjenom i magnetski tokjezgre.

  34. Magnetski tok i indukcija ZA POTSJETNIK U ovisnosti o tome što i kada računamo, u elektromagnetskoj i elektromehaničkoj pretvorbi energije magnetski tok možemo prikazati na tri različita načina: - indukcijom B[Wb/m2] , [ T ](Tesla) ili [Vs/m2] - tokom Φ[Wb](Weber) ili [Vs] - ulančenim tokom Ψ Ukupni broj silnica magnetskog polja je tok

  35. ZA POTSJETNIK: Ulančeni magnetski tok, oznaka Ψ, je umnožak broja zavoja N (koje tok Φ obuhvaća) i toka Φ kroz površinu S: Ψ = N Φ Broj zavoja u pravilu je veći od 1. Zbog toga je Ψ važan (kod računanja induciranih napona).

  36. Faradayev zakon (1831.) i Lenzov zakon ZA POTSJETNIK: Inducirani napon u strujnom krugu jednak je brzini kojom se mijenja magnetski tok ulančen strujnim krugom, a smjer induciranog napona je takav da protjera struje koje se protivi promjene promjeni toka : Φ je magnetski tok N je broj zavoja svitka obuhvaćenih tokom Φ Ψje ulančeni magnetski tok

  37. Elektromehanički sustavi 2. Vodiči smješteni u magnetskom polju Aksijalno postavljeni vodiči u utorima na statoru i rotoru (dolje) i izvedba vodiča (zavoja, namota) , desno) VAŽNO: Sustav koluta (ili lamela kolektora) i četkice omogućava vezu rotirajućeg elementa sa stacionarnim svijetom (slika lijevo)

  38. Elektromehanički sustavi 3. Relativno gibanje vodiča prema silnicama magnetskog polja Translacijsko (lijevo) i rotacijsko gibanje (desno) vodiča u zračnom rasporu (načelo translacijskog i rotacijskog električnog stroja VAŽNO: Zračni raspor mora biti što uži ! Uz jednaku uzbudu, uži zračni raspor rezultira većom indukcijom u zračnom rasporu (manje se izgubi silnica zbog velikog magnetskog otpora zraka)

  39. Elektromehanički sustavi Primjer: Sila na vodič Pojednostavljena shema “magnetskog dizala” je prikazana na slici. Razmak između vertikalnih krutih šina (vodiča) je 0,5 m, a masa tereta kojeg treba dizati 2 kg. Masa vodiča (štapa) iznosi 1 kg. Utjecaj sila trenja se može zanemariti. a) Kolika struja treba teći vodičem i u kojem smjeru da bi "dizalo" moglo visjeti u određenom položaju ili se gibati prema gore? b) Ako je struja iznosa 50 A, koliki će biti smjer sile i gibanja te koliko je ubrzanje dizala?

  40. Elektromehanički sustavi Rješenje: a) Da bi vodič i teret na njemu mirovali, elektromagnetska sila na vodič mora biti jednaka sili gravitacije: F = F g B I l= (m v + m t) 9,81 Da bi vodič i teret na njemu gibali prema gore¸, elektromagnetska sila na vodič mora biti veća od sile gravitacije: F > F gI > 39,24 A b) Elektromagnetska sila pri struji 50A iznosi: F = B I l = 1,5∙50∙0,5 = 37,5 N gravitacijska sila: F g = mg = (2+1)∙9,81= 29,43 N sila ubrzanja : F u = F – F g = 37,5 – 29,43 = 8,07 N

More Related