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 2024