הנע חשמלי
Electrical Drives
נתן בן חיל
Kitech
מטרת הקורס:
הבנת מנועי חשמל ושיטות הבקרה שלהם.
פתרון בעיות בהנע חשמלי בעזרת תוכנות MATLABו.ANSOFT -
חשמל
סימולציה
בקרה
מכניקה
Kitech
1
הקדמה
מיקומו של הנע חשמלי במפת האנרגיה:
ברב המקרים אספקת אנרגיה לצרכנים היא אנרגיה חשמלית.
ייצור אנרגיה
חשמלית ממקור
אנרגיה ראשוני
העברת אנרגיה
חשמלית לצרכן
נצילות גבוהה
הפסדים קטנים
המרת האנרגיה
לצורתה הסופית
צריכת האנרגיה החשמלית לנפש לכל מדינה מסמנת את מידת ההתפתחות
הטכנית של אותה מדינה.
Kitech
צריכת האנרגיה החשמלית
3816
2094
United States
במדינות שונות ב 1980-וב2006 -
348
United Kingdom 246
109 Watthours
44
11
Israel
96
17
Egypt
10
0.9
Jordan
26
3.4
Syria
156
19
Saudi Arabia
149
20
Iran
982
511
Japan
2528
266
China
18
20
Korea, North
365
32
Korea, South
יחידה:
http://www.eia.doe.gov
Kitech
2
2006
1980
Country
US Energy Information Adminidtration
צריכת האנרגיה בעולם
156
Oil
ממקורות שונים ב2001-
93
Natural Gas
96
Coal
26
Nuclear
26
Hydroelectric
6
Other
1015 Btu
יחידה:
0.293 Watthour = 1 Btu
קיבולת ייצור חשמל בעולם מאנרגית הרוח
שנה
2003
2002
2001
2000
1999
הספק )(MW
39294
31100
23800
17300
13500
http://www.awea.org
American Wind Energy Association
Kitech
• הצרכן מנצל את האנרגיה החשמלית ישירות או ממיר אותה ל-:
חום אנרגיה כימית אנרגיה מכנית )כמחצית מסך הכל האנרגיה(הנע חשמלי
• למרבית הציוד האלקטרומכנית אין צורך לבקרה מיוחדת.
• נושא בקרת האמצעים האלקטרומכניים מתפתח יחד עם אלקטרוניקת הספק,
רכיבים אלקטרוניים ברי תכנות ,ותקשורת ספרתית.
הנע חשמלי מבוקר
Kitech
3
יתרונות הנע חשמלי:
מכסה מגוון רחב של הספקים ,מומנטים ,ומהירויות.ניתן להתאימו לתנאי עבודה שונים כמו עמידה בלחץ ומוגן התפוצצות.לא מזהם את הסביבה.ניתן להפעלה מיידית.נצילות גבוהה.ניתן לבקרה יחסית פשוטה.אורך חיים גבוה )רעידות וטמפרטורה נמוכות(.גמיש בתכנון מכני )מידות ,צורת הרכבה וחיבור ,תנועה סיבובית או ליניארית (.-ניתן להפעילו בכל הרביעים של מישור מהירות-מומנט.
Kitech
Kitech
4
חסרונות הנע חשמלי:
בעיית אחסון אנרגיה חשמלית מקשה על ניידות.במכונות חשמל היחס בין הספק למשקל נמוך.הכח במכונות חשמל משיקי ,לעומת כח ניצב במערכות הדרואליות)למקרים שיש צורך בכח ניצב(.
Kitech
.1מכניקה בסיסית
תנועה קוית
מיקום
מהירות
תאוצה
מסה
כח
עבודה
אנרגיה קינטית
הספק
Kitech
5
תנועה מעגלית
x
dx
dt
dv
=a
dt
M
F=Ma
=v
W = ∫ F dx
1
M v2
2
P= Fv
זווית
מהירות זוויתית
תאוצה זוויתית
אינרציה
מומנט
עבודה
אנרגיה קינטית
הספק
θ
dθ
dt
dω
=α
dt
I
T = Iα
=ω
W = ∫ T dθ
1
Iω2
2
P =Tω
הקשר בין התנועה הקוית לבין התנועה המעגלית
v=ωr
αT = dω/dt
αN
v
αT
ω
r
θ
αN = v2/r
Kitech
?=I
Kitech
6
מדידת אינרציה באופן ניסיוני
ω
ω0
ω1
I≈
t
TL
− TL
dω
dt
Kitech
1.1 תרגיל
ω
TL= מומנט העומס
r
TM= -TL
δ
F=TM / r
TM / r =k r sin δ
R
S
k = קבוע קפיץ
sin δ יחס ישר עםTM -ל
Kitech
7
1.2 תרגיל
x
0
-xs
קצה קפיץ
דיסק
m = 1.5
Kg
מסה הדיסק
k = 3000 N/m
קבוע הקפיץ
d = 1.0
מקדם החכוך
N sec/m
xs = 0.059 m
מיקום קצה הקפיץ
x0 = 0.08 m
מיקום התחלתי לדיסק
Kitech
: המתארת את המערכת.ד.מ
m d2x/dt2 + d dx/dt - fs=0
(a) If
x<-xs
(b) If
x>xs
(c) If -xs<x<xs
then fs=-k (x+xs)
then fs=-k (x-xs)
then fs=0
Kitech
8
MATLAB עבור1.2 קובץ אתחול לתרגיל
%Electrical drives
%Targil 1.2
global m d k xs
m=1.5;
%mass kg
d=1.0;
%friction coefficient Ns/m
k=3000.0;
%spring coefficient N/m
xs=0.059;
%spring position meter
t0f=[0,12.0];
y0=[0.08,0];
[t x]=ode23('plunge',t0f,y0);
subplot(2,1,1);
plot(t,x(:,1));
xlabel('t (sec)','fontsize',16);
ylabel('x (m)','fontsize',16);
subplot(2,1,2);
plot(t,x(:,2));
xlabel('t (sec)','fontsize',16)
ylabel('v (m/sec)','fontsize',16)
Kitech
MATLAB עבור1.2 לתרגיל.ד.קובץ לפתרון מ
%Electrical drives
%Targil 1.2
function dy=plunge(t,y)
global m d k xs
if (y(1)<-xs) fs=-k.*(y(1)+xs); end; %spring force
if (y(1)>xs) fs=-k.*(y(1)-xs); end;
if (abs(y(1))<=xs) fs=0; end;
dy=[...
y(2);
(-d.*y(2)+fs)/m;
];
%velocity
%acceleration
Kitech
9
1.2 לתרגילMATLAB פתרון
0.1
x (m)
0.05
0
-0.05
-0.1
0
2
4
6
8
10
12
8
10
12
t (sec)
v (m/sec)
1
0.5
0
-0.5
-1
0
2
4
6
t (sec)
Kitech
1.3 תרגיל
Ω
=מסהM
=אינרציהI
r
ez
e
ω
β
I = M r2/4
קבועω , בהעדר הפסדיםω = Ω sin β
T = I ω Ω ezxe
h=eIω
: למומנט כתוצאה מכח המשיכהT נשווה אתT = dh/dt
IωΩ=Mgr
T = I ω de/dt + e I dω/dt
Ω2
T = I ω Ω ezxe+ e I dω/dt
sin β = 4 g/ r
Kitech
10
Wobble Step Motor
Kitech
Wobble Step Motor
Kitech
11
.2אלקטרומגנטיות
Faraday’s Law
)(Volt
l
v
B
v = -dλ/dt
Ampere’s Law
)(Weber
λ=Li
)(Henry
L = µ N2 a/l
λ = N a µ N i /l
עוצמת השדה המגנטי )H (A/m
B
צפיפות השטף המגנטי )(Tesla
השטף המגנטי
)Φ (Weber
B=µH
Kitech
החומרים העיקריים שבשימוש במכונות חשמל:
.1חומרים מגנטיים רכים Soft magnetic materials
ברזל ,ברזל+סיליקון
.2מגנטים קבועים
SmCo, Alnico
.3מוליכם
נחושת ,כסף
.4מבודדים
נייר ,זכוכית
Kitech
12
Permeability
µ= µ0 = 4πx10-7 (H/m)
µ = µ rµ0
לחומרים לא מגנטיים
(H/m)
לחומרים מגנטיים
B (T)
2.0
1.8
B
M36
1.6
Cast steel
1.4
מגנות שיורי
1.2
קוארסיביH
1.0
0.8
H
0.6
0.4
0.2
0
500 1000 1500 2000 2500 3000
Hysteresis Loops
H (A/m)
Kitech
Ferrite Cores
Kitech
13
Magnets
TDKTM
1 Tesla = 104 Gauss
1 A/m = 4πx10-3 Oersted
ARNOLDTM
Kitech
2.1 תרגיל
µ0 = -Br/Hc
חישוב השדה המגנטי של מגנט
B
מגנט
גדולµr
Br=1 T
lm=10 cm
lg=6 cm
Hc=-800 kA/m
H
µ0 = של המגנטµ
H = Hc lm/(lm + lg)
H = -500 kA/m
N I = Hc lm
: I המגנט כמו סליל שזורם דרכו זרם
Kitech
14
תרגיל 2.2
חישוב התנאים לנפח מינימלי למגנט
B
מגנט
Br
Bd
H
lg
)B=µ0(H-Hc
Hd
lm
µrגדול
Bd am = Bg ag
Hc
Bg l g
= agשטח חתך חריץ האוויר
µ0
= amשטח חתך המגנט
Bg2 a g l g
= Bgצפיפות השדה המגנטי בחריץ האוויר
µ0
= Hd lm
= Bd Hd am lm
Bg2 a g l g
נפח המגנט מינימלי כאשר BH
µ 0 Bd Hd
בנקודת העבודה מכסימלי
= am l m
B H = µ 0(H − Hc )H
Kitech
מוליכים:
מוליך טוב -מוליכות גבוהה ,מקדם טמפרטורה להתנגדות נמוכה,
חוזק מכני גדול ,ניתן לריתוך והלחמה.
בין החומרים המוליכים ,לנחושת השימוש הרחב ביותר.
לאלומיניום עלות נמוכה ,משקל סגולי נמוך ,ונקודת ריתוך נמוכה; אבל
המוליכות שלו 60%מזו של הנחושת ולא ניתן לייצר ממנו חוטים דקים.
חוטים מתאפיינים ע”יGAUGE:
)(mm2
Cross-section
)Gauge no. Diameter (mm
1
42.41
7.384
0.519
0.813
20
0.412
0.724
21
0.00125
0.04
...
)(AWG
...
Kitech
15
46
מבודדים:
מבודד טוב -מקדם דיאלקטרי גבוה ,עמיד בחום גבוה ,מעביר חום.
המבודדים מסווגים ,על פי חום מכסימלי שהם עמידים בו ,ל 7-סוגים:
לדוגמא:
Class Aעד 105 Cכמו נייר ספוג שמן
Class Bעד 130 Cכמו mica
מבודדים
Kitech
האנרגיה המגנטית:
i
אנלוגיה לאנרגיה המכנית
קבל
סליל
Kitech
16
1 q2
2C
1
Wm = L i 2
2
dq
=i
dt
= We
קפיץ
מסה
1
Wp = k x 2
2
1
Wk = m v 2
2
dx
=v
dt
1
Wm = L i 2
2
1 µ N 2a 2
= Wm
i
2 l
1 µ Ni N i
Wm = al
2
l
l
Wm 1
= BH
al 2
2.3 תרגיל
B (T)
1.6
1 mm
L=300 mm
L=120 mm
a=500 mm2
a=800 mm2
חשב את הזרם בסליל כדי לייצר
. בחריץ האוויר1.3 mWb שטף של
1.3
N=500
850
3800
H (A/m)
−3
1.3 X10
= 1.625 T
800 X10 −6
mmfcenter = 3800 X 0.12 = 456 A
1.3 X10 −3
Bouter =
= 1.3 T
1000 X10 −6
mmfouter = 850 X 0.3 = 255 A
1.625
Hairgap =
= 1.292 X10 6 A / m
4π X10 −7
mmfairgap = 1.292 X106 X 0.001 = 1292 A
Bcenter =
+
mmftotal = 456 + 255 + 1292 = 2003 A
2003
=4 A
magnetization current =
500
60 mm
a=80 mm2
l=air gap
B (mT)
500
2.4 תרגיל
קבע אורך חריץ האוויר כדי
להימנע מהרוויה המגנטית
. אמפר2 עבור זרם מגנוט של
400
300
N=100
Kitech
200
100
0
0 300 600 900 H (A/m)
mmfferrite = 150 X 0.012 = 18 A
0.4
mmfairgap =
2 l = 6.37 X105 l A
4π X10 −7
mmftotal = 2 X100 = 200 A
200 = 18 + 6.37 X105 l
l = 0.3 mm
Kitech
17
2.5 תרגיל
. RLC פתרון מעגל
dλ
= VC − Ri
dt
1
dVC
=− i
dt
C
i=
λ
L
Kitech
%Electrical drives
%Targil 2.5
global L L0 Lsat R C
L=0.001;
L0=0.001;
Lsat=0.0001;
R=0.25;
C=0.00001;
t0f=[0,0.005];
y0=[0 80];
[t x]=ode23('rlc',t0f,y0);
subplot(2,1,1);
plot(t,x(:,2));
xlabel('t (sec)','fontsize',16);
ylabel('Vc (volt)','fontsize',16);
s=size(x(:,1));
for j=1:s
lam=abs(x(j:j,1));
%Use the following "if" statements for piecewise linearization
if (lam<=0.0007) Lm(j)=L0; end;
if (lam>0.0007) & (lam<=0.0013) Lm(j)=-(lam-0.0013).*(L0-Lsat)./0.0006+Lsat; end;
if (lam>0.0013) Lm(j)=Lsat; end;
%Use the following formula for a smooth function
Lm(j)=(L0-Lsat).*(1-tanh(4000.*lam-4))./2+Lsat;
tm(j)=t(j:j);
end;
subplot(2,1,2);
plot(tm(1:s),Lm(1:s))
xlabel('t (sec)','fontsize',16);
ylabel('L (H)','fontsize',16);
axis([0 0.005 0 0.0012])
MATLAB עבור2.5 קובץ אתחול לתרגיל
Kitech
18
MATLAB עבור2.5 לתרגיל.ד.קובץ לפתרון מ
%Electrical drives
%Targil 2.5
function dy=rlc(t,y)
global L L0 Lsat R C
lam=abs(y(1));
%Use the following "if" statements for piecewise linearization
if (lam<=0.0007) L=L0; end;
if (lam>0.0007) & (lam<=0.0013) L=-(lam-0.0013).*(L0-Lsat)./0.0006+Lsat;
end;
if (lam>0.0013) L=Lsat; end;
%Use the following formula for a smooth function
L=(L0-Lsat).*(1-tanh(4000.*lam-4))./2+Lsat;
dy=[...
-R.*y(1)./L+y(2);
-y(1)./(L.*C);
];
%flux linkage
%capacitor voltage
Kitech
Smooth L
Linearised L
Kitech
19
.3תופעות תרמיות במכונות חשמל
•המרת אנרגיה כרוכה בהפסדי הספק שמייצרים חום.
•החום הנוצר פוגע בעקר במבודדים במכונות חשמל.
•קלקול המבודדים גורם לקצר חשמלי שמאיץ את תהליך הקלקול.
•הקשר בין אורך חיים של המכונה וטמפרטורת העבודה שלה היא
פונקציה מעריכית .לדוגמא מכונה עם אורך חיים של 16שנים
בטמפרטורת העבודה של ,110Cיתפקד 7שנים בלבד בטמפרטורת
העבודה של .115C
•קרור ומעבר חום מהווים נושאים חשובים בתכנון מכונות חשמל.
Kitech
הפסדים במכונות חשמל:
.1הפסדי נחושת
.2הפסדי ברזל
אHysteresis loss .
)תדר() n Xצפיפות השדה המגנטי(,
n=1.6 - 2
בEddy current loss .
)מוליכות() 2 Xעובי( ) 2 Xתדר( ) 2 Xצפיפות השדה המגנטי(
.3חיכוך.
Kitech
20
מודל חשמלי למעבר חום
= ∆Tעליית טמפרטורה במוליך חום .A
= Pהספק מועבר ל A-כחום ע"י מקור החום.
A
מקור חום
= Rthהתנגדות תרמית של .A
= Cthקיבולת תרמית של .A
= τthקבוע הזמן לעליית הטמפרטורה
Rth
Cth
)/Pבמצב מתמיד Rth = ( ∆T
Kitech
המכונה מתחממת בקצב שונה במצבי פעולה הבאים:
•הפעלה
•פעולה בעומס קבוע
•פעולה ללא עומס
•פעולה בעומס ומהירות משתנים
•בלימה חשמלית
Kitech
21
Cth = τth / Rth
למניעת חימום יתר יש לקטין את ההפסדים ולקרר את המכונה.
•שימוש בלמינציות לקטנת הפסדי זרמי מערבולת.
Lamination
•הגדלת התנגדות הסטטור והרוטור ע"י אריגה מתאימה של החומר הפרומגנטי.
Texture
•שימוש במיסבים להקטנת חיכוך.
Kitech
•קירור ע"י הולכה
שימוש במוליכי חום טובים ,מניעת חלודה ,חיבור חלקים תחת לחץ ,שטחי
חיבור נקיים ,עבוד שטחי חיבור על ידי מכונה.
•קירור ע"י העברה
הגדלת שטח חיצוני של המכונה ,
אוורור פנימי או חיצוני.
Kitech
22
Kitech
Kitech
23
Kitech
Kitech
24
Kitech
Kitech
25
Kitech
26
© Copyright 2025