מבוא למכונות חשמל `6 : הרצאה מס

‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫הרצאה מס' ‪ : 6‬מבוא למכונות חשמל‬
‫מגנטיות‬
‫מונח זה קשור לתכונה הטבעית של חומר למשו אליו גופי מתכתיי‪.‬‬
‫מה מקור המילה מגנטיות?‬
‫מושג זה מקורו במילה היוונית מגנסיה ‪ ,‬זוהי עיר הממוקמת באסיה הקטנה במקו בו מצאו היווני‬
‫הקדמוני מחצב טבעי שמוש מתכות‪.‬‬
‫נהוג לחלק את החומרי שקיימי בטבע ל‪ 2‬סוגי‪:‬‬
‫א‪ .‬חומרי פרומגנטיי‪.‬‬
‫ב‪ .‬חומרי לא פרומגנטיי‪.‬‬
‫א‪.‬חומרי פרומגנטיי‬
‫אילו חומרי שקיימי בטבע ‪ ,‬ה אינ מגנטי טבעיי ‪,‬אול חומרי אילו מסוגלי לקבל מגנוט‪.‬‬
‫לדוגמא‪ :‬ברזל ‪ ,‬פלדה ‪,‬ניקל‪.‬‬
‫ב‪.‬חומרי לא פרומגנטיי‬
‫אילו חומרי שאינ מסוגלי לקבל מגנוט‪.‬‬
‫לדוגמא‪ :‬ע ‪,‬פלסטיק‪.‬‬
‫סוגי מגנטי‬
‫קיימי ‪ 2‬סוגי מגנטי‪:‬‬
‫‪ .1‬טבעי‬
‫‪ .2‬מלאכותי‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫‪.1‬המגנט הטבעי‬
‫לכל מגנט קיימי זוג קטבי ‪ :‬צפו! ודרו או ‪. S, N :‬‬
‫‪.1.1‬שדה מגנטי ] ‪. B[T‬‬
‫זהו גודל פיזיקלי שמתאר את פעולת כח בתחו של המגנט‪.‬‬
‫השדה נמצא במרחב שעוט" את המגנט ‪.‬‬
‫השדה נמדד ביחידות טסלה‪.‬‬
‫‪ 1.2‬שדה של מגנט טבעי‬
‫קוטביות השדה במגנט היא מצפו! לדרו ‪. N → S :‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫‪ 1.3‬שט מגנטי ]‪φ[ wb‬‬
‫כמות קווי הכוח של השדה בשטח מוגדר‪.‬‬
‫השט" המגנטי דומה לזר חשמלי ונמדד ביחידות וובר‪.‬‬
‫תכונות מגנטי‬
‫‪ .1‬כוח המשיכה הגדול ביותר נמצא בקטבי של במגנט‪.‬‬
‫‪ .2‬נית! לחלק מגנט למגנטי נוספי‪.‬‬
‫‪ .3‬תכונה פרומגנטית – חומר טבעי שהופ להיות מגנט בהשפעה של מגנט כלשהוא‪.‬‬
‫‪ .4‬כוח המשיכה קט! ככל שמרחיקי שני מגנטי זה מזה‪.‬‬
‫מסקנה‪ :‬כאשר קיי שדה מגנטי קיי כוח מכאני‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫‪.2‬המגנט המלאכותי‬
‫שדה מגנטי סביב מולי נושא זר‬
‫מולי נושא זר מייצר סביבו שדה מגנטי‪.‬‬
‫לשדה המגנטי יש גודל וכיוו!‪.‬‬
‫כיוו! השדה המגנטי נקבע על פי כלל יד ימי"‪.‬‬
‫אגודל מראה כיוו! הזר במולי‪.‬‬
‫אצבעות מצביעות על כיוו! השדה‪.‬‬
‫סימני מוסכמי‪:‬‬
‫שדה נכנס לתו הד"‬
‫שדה יוצא מהד"‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫שדות מגנטיי‪:‬‬
‫שדה מגנטי בליבת סליל‬
‫סליל‬
‫מולי המלופ" על ליבה פרומגנטית‪.‬‬
‫‪φ‬‬
‫‪I‬‬
‫תפקיד הליבה לרכז את השט" המגנטי‪.‬‬
‫א נזרי זר במולי יתפתח שדה מגנטי בתו הליבה לפי כלל יד ימי! באופ! הבא‪:‬‬
‫כ" יד מלופפת על הליבה ואצבעות מורות על כיוו! הזר‪.‬‬
‫אגודל מראה את כיוו! השט" בליבה‪.‬‬
‫מדוע חשוב לדעת את כיוו" השדה?‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫דוגמא ‪ :1‬ניסוי לורנ‪ $#‬כוח הפועל בי" ‪ 2‬מוליכי נושאי זר‬
‫ניסוי זה מוכיח ‪:‬‬
‫א‪ .‬לכל שדה מגנטי יש כיוו!‪.‬‬
‫ב‪ .‬נית! לייצר שדה מגנטי מלאכותי ע"י זר חשמלי במולי‪.‬‬
‫ג‪ .‬בי! ‪ 2‬מוליכי נושאי זר מתפתח כוח הדדי של משיכה או דחייה ‪ ,‬תלוי בכיווני הזרמי‬
‫במוליכי‪.‬‬
‫מהל הניסוי‪:‬‬
‫לוקחי שני מוליכי נפרדי זה מזה ומזרימי דר כל אחד מה זר חשמלי‪.‬‬
‫התוצאה‪:‬‬
‫א הזרמי ‪ I 1 , I 2‬באותו כיוו" – המוליכי מושכי אחד את השני‪.‬‬
‫א הזרמי ‪ I 1 , I 2‬בכיווני מנוגדי – המוליכי דוחי אחד את השני‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫כלל יד שמאל‬
‫כלל זה משמש לקביעת כיוו! הכוח שפועל בשדה מגנטי‪.‬‬
‫אצבעות – מורות כיוו! זר במולי‪.‬‬
‫כ" יד – מקבלת את השדה המגטי‪.‬‬
‫אגודל – מראה כיוו! הכוח‪.‬‬
‫הסבר ניסוי לורנ‪:#‬‬
‫לפי חוק יד ימי" כל מולי מייצר שדה מגנטי משלו ‪.‬‬
‫ע"פ חוק יד שמאל יופיעו כוחות משיכה בי" המוליכי‪.‬‬
‫מסקנה‪ :‬נוכחות של שדה מגנטי בשילוב של זר במולי גורמי להופעת כוח מכאני במערכת‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫דוגמא ‪ :2‬מולי נושא זר בתו שדה מגנטי‬
‫א נכניס מולי נושא זר לתו שדה מגנטי קבוע יפעל עליו כוח בהתא לחוק יד שמאל‪.‬‬
‫בדוגמא הבאה קיי שדה מגנטי לתו הד" וזר חשמלי בתו המולי ימינה ועל כ! יפעל כוח שידח"‬
‫את המולי כלפי מעלה‪.‬‬
‫תרגילי‪:‬‬
‫מצא כיוו! כוח הפועל על מולי נושא זר בתו שדה מגנטי ‪ .‬היעזר בחוק יד שמאל‪.‬‬
‫)‪(7‬‬
‫)‪(6‬‬
‫)‪(5‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫פתרונות‬
‫‪ .1‬לתו הד"‬
‫‪ .2‬שמאלה‬
‫‪ .3‬למעלה‬
‫‪ .4‬אי! כוח‬
‫‪ .5‬לתו הד"‬
‫‪ .6‬שמאלה‬
‫‪ .7‬למעלה‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫כריכה בשדה מגנטי‬
‫זוהי מסגרת מוליכה נושאת זר הנמצאת בהשפעת שדה מגנטי‪.‬‬
‫זהו הבסיס ליצירת מכונה הנקראת מנוע חשמלי‪.‬‬
‫תהלי יצירת מומנט סיבוב ‪:‬‬
‫‪ .1‬דרוש שדה מגנטי חיצוני ‪.‬‬
‫‪ .2‬מסגרת מוליכה‪.‬‬
‫‪ .3‬דרוש לספק זר במסגרת – מקור מתח‪.‬‬
‫‪ .4‬מוצאי כיוו! כוח בכל צלע של המסגרת‪.‬‬
‫דוגמא‪:‬‬
‫ניתוח כוחות על פני המסגרת‬
‫צלע עליונה‪:‬‬
‫‪I‬‬
‫‪F‬‬
‫‪B‬‬
‫הכוח יפעל החוצה‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫צלע תחתונה‪:‬‬
‫‪I‬‬
‫‪F‬‬
‫‪B‬‬
‫הכוח יפעל פנימה‪.‬‬
‫מסקנה ‪ :‬המסגרת תסתובב נגד כיוו! השעו!‪.‬‬
‫כיוו" הזר במסגרת קובע את כיוו" הסיבוב ולכ" הפיכת קוטביות החיבור תהפו את כיוו" הסיבוב‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫עקרו! פעולה מנוע לזר ישר‬
‫סקיצות הבאות מתארות את שלושת הגורמי הפיזיקליי ההכרחיי בפעולת המכונה ‪:‬‬
‫‪ .1‬שדה מגנטי ] ‪. [B‬‬
‫‪ .2‬זר חשמלי ] ‪. [ I‬‬
‫‪ .3‬מומנט‪/‬כח ] ‪. [ F‬‬
‫איור ‪1‬‬
‫באיור זה מוצגי שלושת הגורמי המופיעי בעת ובעונה אחת תו כדי עבודת המכונה‪.‬‬
‫ שדה מגנטי ‪ B‬מיוצר בסטטור‪.‬‬
‫ זר חשמלי זור במוליכי הרוטור‪.‬‬
‫ כוחות מיכניי שווי והפוכי נוצרי על מוליכי הרוטור מ ‪ 2‬צידיו‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫תהלי יצירת מומנט סיבוב במכונה‪:‬‬
‫איור ‪2‬‬
‫יש לייצר תחילה שדה מגנטי )שט" ( ‪:‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫איור ‪3‬‬
‫לאחר מכ! יש לחבר מנוע לרשת ) זר חשמלי ( ‪:‬‬
‫איור ‪4‬‬
‫נוצר כוח ‪ F‬על מוליכי הרוטור ‪ ) :‬לפי חוק יד ימי! שמאל אחד כלפי מעלה והשני למטה (‬
‫הכוחות מסייעי ליצירת סיבוב הרוטור במגמה אחידה‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫איור ‪5‬‬
‫כוח הפועל בסיבוב זהו מומנט ‪:‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫מכונות חשמל לזר חילופי!‬
‫כא"מ מושרה ] ‪e[v‬‬
‫זהו מתח שמתפתח על פני מולי שנע בתו שדה מגנטי‪.‬‬
‫חוק פאראדי‬
‫א מפעילי כוח על מולי בתו שדה מגנטי ‪ ,‬יופיע על פני המולי מתח מושרה‪.‬‬
‫המדע! הראשו! שגילה את תופעת הזר המושרה היה פאראדי‪.‬‬
‫כאשר נפסיק את פעולת הכוח ‪,‬המתח המושרה יתאפס א" הוא‪.‬‬
‫גילוי חדשני זה הוכיח שנוכחות כוח בשדה מגנטי היא דו כיוונית כלומר‪:‬‬
‫א‪ .‬א קיי שדה מגנטי ‪ B‬וזר חשמלי ‪ I‬אזי יפעל כוח ‪ F‬על פני המולי‪.‬‬
‫ב‪ .‬א קיי שדה מגנטי ‪ B‬ועל פני המולי פועל כוח ‪ F‬אזי יהא מתח במולי!!!!!‬
‫כלל יד שמאל מס' ‪2‬‬
‫משמש למציאת קוטביות זר מושרה במולי הנע בשדה מגנטי‪.‬‬
‫א‪ .‬כ" היד מקבלת את השדה‪.‬‬
‫ב‪ .‬אצבעות בכיוו! תנועת המולי‪.‬‬
‫ג‪ .‬האגודל מורה את כיוו! הזר במולי‪.‬‬
‫דוגמאות‪:‬‬
‫‪.1‬‬
‫מזיזי את המולי שמאלה והזר המושרה יוצא מהד" החוצה‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫‪.2‬‬
‫דוחפי את המולי לתו הד" והזר המושרה יהא שמאלה‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫ניסוי פאראדי‬
‫הקשר בי" שינוי שט מגנטי וכא"מ מושרה‬
‫אופ! הניסוי‪:‬‬
‫ניקח מסגרת מלבנית בעלת ‪ 3‬צלעות והצלע הרביעית היא מוט החופשי לנוע ימינה שמאלה‪.‬‬
‫את המסגרת נכניס לשדה מגנטי ‪ B‬בכיוו! המסומ!‪.‬‬
‫במקביל למוט נחבר וולטמטר‪.‬‬
‫התוצאה‪:‬‬
‫א נחליק את המוט ימינה ‪ ,‬השט" דר המוט יגדל וכ ג המתח המושרה על פני המוט‪.‬‬
‫א נחליק את המוט שמאלה ‪ ,‬השט" דר המוט יקט! וכ ג המתח המושרה על פני המוט‪.‬‬
‫מסקנה‪ :‬שינוי שט גור להופעת מתח על פני מולי הנמצא בשדה ‪.‬‬
‫הגדלת שט" דר מסגרת על ידי תנועת המוט ימינה‪:‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫השפעת שינוי שט על סליל‬
‫לפי חוק פאראדי א סליל "מרגיש" שינויי שט" מתפתח עליו מתח מושרה לפי‪:‬‬
‫‪∆φ‬‬
‫‪∆t‬‬
‫×‪e=N‬‬
‫כאשר‪ N :‬מס' כריכות‬
‫א נדאג לשנות את השט" דר הליבה ‪ ,‬יופיע על הסליל מתח מושרה‪.‬‬
‫שיטה זו נחוצה לבניית שנאי הספק‪.‬‬
‫שימושי מעשיי לחוק פאראדי‬
‫כל מכונות החשמל לזר חילופי! ‪ :‬מנועי ‪ ,‬שנאי ‪ ,‬גנרטורי ‪,‬פועלות על עקרו! פאראדי‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫‪ .1‬שנאי ‪TRANSFORMER‬‬
‫מכונה חשמלית לזר חילופי! הממירה אנרגיה חשמלית אחת בצד ראשוני לאנרגיה חשמלית אחרת‬
‫בצד משני‪.‬‬
‫סכימה חשמלית‪:‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫סימו" חשמלי‪:‬‬
‫מבנה‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫השנאי בנוי מ‪ 3‬חלקי עיקריי‪:‬‬
‫א‪ .‬סליל ראשוני‬
‫ב‪ .‬סליל משני‬
‫ג‪ .‬ליבה פרומגנטית‬
‫עקרו! פעולה‬
‫לסליל ראשוני מספקי מתח חילופי! ראשוני וכתוצאה מכ מתפתח שט" משתנה בליבת השנאי‪.‬‬
‫הסליל המשני מרגיש את שינויי השט" ולכ! מתפתח עליו מתח משני לפי פאראדי‪.‬‬
‫‪U2‬‬
‫שנאי‬
‫חיסרו! השנאי – אינו פועל בזר ישר ‪ ,‬מכיוו! שאי! שינויי שט" בליבה‪.‬‬
‫שנאי תלת פאזי ‪ $‬מבט פנימי‪:‬‬
‫‪U1‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫שנאי חד פאזי‪:‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫יחס השנאה בשנאי‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫מכיוו! שהשנאי הוא מכונה בעלת נצילות גבוהה ‪ ,‬נית! להניח בקירוב שהספק הכניסה הראשוני שווה‬
‫להספק היציאה המשני‪:‬‬
‫‪P1 = P2‬‬
‫נציב ערכי של זר ומתח‪:‬‬
‫‪I1 × U 1 = I 2 × U 2‬‬
‫נקבל יחס ‪:‬‬
‫‪I 2 U 1 N1‬‬
‫=‬
‫=‬
‫‪I1 U 2 N 2‬‬
‫=‪K‬‬
‫יחס זה הוא פרמטר קבוע וחסר יחידות ‪.‬‬
‫דוגמא‪:‬‬
‫נתו! שנאי ‪. 220 / 110V‬‬
‫א‪ .‬חשב יחס השנאה‬
‫ב‪ .‬מה יהא הזר בסליל ראשוני א הזר במשני ‪ 10‬אמפר?‬
‫פתרו!‪:‬‬
‫א‪.‬‬
‫‪U 1 220‬‬
‫=‬
‫‪=2‬‬
‫‪U 2 110‬‬
‫ב‪ .‬הזר הראשוני‪:‬‬
‫‪I 2 10‬‬
‫=‬
‫‪= 5A‬‬
‫‪K‬‬
‫‪2‬‬
‫=‪K‬‬
‫= ‪I1‬‬
‫מסקנה‪ :‬במתח גבוה הזר יהא נמו ובמתח נמו הזר יהא גבוה‬
‫מסיבה זו חברת החשמל משתמשת בשנאי שיגדילו את המתח ביציאה מתחנת הכוח ועל ידי כ‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫יקט! הזר בקווי ההולכה ואז בנקודת החלוקה לצרכני משתמשי שוב בשנאי שמקטי! שוב את‬
‫המתח ואז נית! לספק זר גבוה לצרכני‪.‬‬
‫שימוש בשנאי ברשת הארצית‬
‫‪ .1‬יכולת העברת הספקי למרחקי – מתח גבוה ‪/‬זר נמו‪.‬‬
‫‪ .2‬בידוד ואמצעי הגנה בפני חישמול – שנאי מבדל‪.‬‬
‫‪ .3‬מסנ! רעשי והפרעות ברשת‪.‬‬
‫‪ .4‬ויסות מתח לפי הצור‪.‬‬
‫הפסדי הספק בשנאי‬
‫מבחיני בי! ‪ 2‬סוגי הפסדי‪:‬‬
‫א‪ .‬בריק – ללא עומס‪.‬‬
‫ב‪ .‬בעומס‪.‬‬
‫הפסדי ריק‬
‫כאשר נחבר את הראשוני למתח רשת והמשני יישאר פתוח נקבל זר ראשוני שמשמש לצור מגנוט‬
‫הליבה ועל כ! הפסדי אילו נקראי הפסדי ברזל ‪. ∆PFE‬‬
‫הפסדי נחושת‬
‫אילו הפסדי שנגרמי בסלילי השנאי כאשר השנאי עובד תחת עומס במשני‪.‬‬
‫הפסדי אילו נקראי נחושת מכיוו! שסלילי השנאי עשויי נחושת ‪. ∆PCU‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫תרגילי‬
‫‪ .1‬נתו! שנאי בהספק ‪. 230 / 115V , 1000W‬‬
‫מה יהיה הזר בסלילי השנאי‪:‬‬
‫א‪ .‬בעומס מלא‬
‫ב‪ .‬במחצית עומס‬
‫‪ .2‬נתו! שנאי ‪. 110 / 50V‬‬
‫בצד משני מחברי נגד עומס ‪. 5Ω‬‬
‫חשב זרמי בסלילי השנאי‪.‬‬
‫‪ .3‬נתו! שנאי ‪ , 400 / 230V‬כמה כריכות יש בסליל ראשוני א בסליל משני קיימי ‪ 250‬כריכות?‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫‪ .1‬מנוע השראה –‪INDUCTIVE MOTOR‬‬
‫הש מנוע השראה מקורו בכ שהשדה המגנטי המסתובב בסטטור משרה כא"מ ברוטור‪.‬‬
‫מכונה לזר חילופי! הממירה אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכאנית סיבובית‪.‬‬
‫‪n‬‬
‫מנוע‬
‫‪U‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫מבנה‬
‫המנוע מורכב מ‪ 2‬חלקי עיקריי‪:‬‬
‫א‪ .‬סטטור – ‪ – STATOR‬זהו החלק הסטטי במכונה שאותו מחברי לרשת‪.‬‬
‫כא! מיוצר השט" של המכונה לצור פעולתה‪.‬‬
‫ב‪ .‬רוטור – ‪ – ROTOR‬זהו החלק המסתובב במכונה ולצירו מחברי עומס מיכני‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫סוג חיבור‬
‫הסטטור יכול להיות מחובר בכוכב או משולש‪.‬‬
‫הרוטור מחובר רק בכוכב‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫עקרו! פעולה‬
‫‪ .1‬בעת חיבור הסטטור למתח רשת ‪ ,‬מתפתח שדה מגנטי מסתובב ‪.‬‬
‫‪ .2‬שדה זה חוצה את מרווח האוויר שבי! הסטטור לרוטור ומשרה כא"מ על פני סלילי הרוטור‪.‬‬
‫‪ .2‬דואגי לקצר את סלילי הרוטור וכ נוצר זר בסלילי הרוטור‪.‬‬
‫‪ .4‬הזר המושרה בסלילי הרוטור בתוספת השדה המגנטי ‪ ,‬מייצרי כוח על כל אחד מסלילי הרוטור‬
‫וגורמי לו להסתובב‪.‬‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫שימושי מעשיי במנועי השראה‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫עריכה‪ :‬אינג' אייל לוי‬
‫הפסדי הספק במנוע השראה‬
‫מבחיני בי! ‪ 3‬סוגי הפסדי‪:‬‬
‫‪ .1‬הפסדי ברזל בסטטור‬
‫‪ .2‬הפסדי נחושת בסטטור וברוטור‬
‫‪ .3‬הפסדי מיכניי ברוטור – חיכו ע המיסבי‪.‬‬
‫הפסדי ברזל ‪∆PFE‬‬
‫אילו הפסדי בליבת הסטטור בדומה להפסדי בזרל בשנאי‪.‬‬
‫הפסדי נחושת ‪∆PCU‬‬
‫אילו הפסדי שנגרמי בסלילי המנוע – סטטור ורוטור‪.‬‬
‫הפסדי מיכניי ‪∆PMECH‬‬
‫אילו הפסדי שנגרמי כתוצאה מחיכו בי! הרוטור לציר שלו‪.‬‬