Uvod

Osnovna naloga strojev je pretvarjanje med različnimi oblikami energije. Ker govorimo o električnih strojih, se bomo osredotočili na pretvorbo iz in v električno energijo. To pomeni, da lahko energijo pretvarjamo v mehansko, iz mehanske nazaj v električno ali pa iz ene električne oblike v drugo.

Delitev električnih strojev

Električni stroji:

Transformatorji:
- Enofazni
- Trofazni
Generatorji:
- Sinhronski stroj
- Enosmerni stroj
Motorji:
- Asinhronski stroj
- Enosmerni stroj

Pomembno je poudariti, da sinhronski in asinhronski stroji lahko delujejo v obeh režimih – kot generatorji in kot motorji. Vendar pa se v 90 % primerov sinhronski stroji uporabljajo kot generatorji, asinhronski pa kot motorji. Primer tega je električni avtomobil, ki ga običajno poganja sinhronski motor, vendar med zaviranjem ali gibanjem po klancu navzdol deluje kot sinhronski generator in polni baterije.

Zgradba

Kljub številnim razlikam med posameznimi vrstami električnih strojev, si vsi delijo nekaj osnovnih lastnosti:

Navitje – za generacijo magnetnega polja
Železno jedro – za prevajanje in vodenje magnetnega polja
Izolacija – za zaščito in preprečevanje kratkih stikov

Mirujoči stroji

Tako kot že samo ime pove, mirujoči stroji nimajo gibljivih delov. To pomeni, da so sestavljeni le iz statičnega dela, imenovanega stator. Primer takega stroja je transformator. Ker nimajo gibljivih delov, ne morejo pretvarjati energije v mehansko obliko ali iz nje.

Kljub imenu mirujoči stroj pa nekatere njegove komponente še vedno vključujejo gibanje. Na primer, hladilna tekočina, črpalke ali ventilatorji se lahko premikajo za hlajenje naprave. Poleg tega transformatorji običajno vibrirajo s frekvenco 50 Hz, kar je frekvenca električnega omrežja. To vibracijo lahko tudi slišimo, če se približamo transformatorski postaji.^[1]

Gibajoči stroji

Pri gibajočih se strojih, se giblje vsaj en sestavni del, temu se reče rotor, ta se tipično vrti, statičnemu delu se reče stator. Gibajoči del je ključen za pretvarjanje iz in v mehansko energijo, poznamo pa tudi gibajoče se stroji, ki pretvarjajo električno moč v lektrično imenovani pretvornički metadini.

Magnetno polje

Magnetno polje opisuje silo, ki deluje na gibajoče se električne naboje. Ti v magnetnem polju občutijo silo, ki je pravokotna na njihovo hitrost in smer magnetnega polja (pravilo desne roke).

\vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B}

Magnetno polje je ključnega pomena za prenos in pretvorbo energije v električnih strojih. Gre za temeljni fizikalni zakon, ki ga ne moremo popolnoma razumeti intuitivno.[^2]

Enosmerni magnetni krog

Na spodnji sliki je prikazan enostaven magnetni krog, ki vključuje železno jedro z zračno režo. Okrog železnega jedra je navita bakrena žica, ki tvori tuljavo. Na tuljavo je priključen enosmerni napetostni vir. Tok, ki zaradi napetosti teče skozi bakreno žico, ustvari magnetno polje v sredini tuljave, ki se zaradi visoke magnetne permeabilnosti feromagnetnega materiala skoncentrira v železnem jedru.

Navitje ima $N$ ovojev in s tem ustvari skupno magnetno vzbujanje $N \cdot I_{m}$ , kjer je $I_{m}$ enosmerni tok, ki ga določa Ohmov zakon:

I_{m} = \frac{U}{R_{n a v}}

kjer je $U$ napetost enosmernega vira, $R_{n a v}$ pa upornost navitja. Ta tok povzroči magnetni pretok po zaprti poti, ki vključuje feromagnetno jedro in zračno režo.

Zaradi zračne reže se skupna magnetna upornost kroga poveča, saj ima zrak mnogo nižjo permeabilnost kot feromagnetni material. Zato je del magnetne napetosti (analogne električni napetosti) porabljen v zračni reži. Ta pojav je ključnega pomena pri konstrukciji naprav kot so releji, senzorji in nekatere vrste elektromotorjev, kjer želimo doseči boljši nadzor nad porazdelitvijo magnetnega polja.

Uporaba enosmernega napajanja pomeni, da je magnetni pretok v jedru stacionaren, kar izključuje pojav inducirane napetosti zaradi časovno spremenljivega magnetnega polja, vendar je še vedno prisotna magnetna energija, shranjena v polju, ter sile, ki delujejo na feromagnetne dele sistema.

Povezava z električnimi vezji

Z pomočjo amerovega zakona lahko izračunamo stanje v magnetnih krogih. Ker je enčaba, ki jo podaja amperov zakon zapletena bomo predpostavili določene poenastavitve:

Magnetno polje $\vec{B}$ je v feromagnetnem jedru in v zračni reži homogeno,
linearno karakteristiko (pred kolenom ali pred nasičenjem) $B H$ krivulje, $B = μ_{0} μ_{r} \cdot H \Rightarrow y = k \cdot x$
magnetno polje je vzporedno normali površine prereza: $\vec{B} ∥ d \vec{A}$ ali $\vec{H} ∥ \vec{l}$ .

Tako se celotna enčba poenostavi na:

H \cdot l_{s r} = N \cdot I_{m}

kjer je $l_{s r}$ srednja zanka skozi železno jedro. Če imamo zračno režo se razdeli na $l_{f e}$ in $l_{z r}$ . Tako dobimo poenostavljeno enačbo amperovega zakona za naš zgornji primer:

H_{f e} \cdot l_{f e} + H_{z r} \cdot l_{z r} = N \cdot I_{v}

kjer pomeni oznaka $f e$ veličine vezane na železo, in $z r$ veličine v zraku. $N$ je število ovojev, ki seka površino, ki jo lahko napnemo na zanko $l_{s r}$ . Z drugimi besedami, število ovojev okoli železnega jedra.

Magnetno vezje

$N \cdot I_{v}$ lahko interpretiramo kot magnetno vzbujanje ali magnetno napetost, medtem ko $\sum H_{i} l_{i}$ kot padce napetosti. Tako smo formulirali magnetno vezje, ki ga lahko razumemo z pomočjo ohmovih in kirchhoffovih zakonov.

U = R \cdot I \Rightarrow Θ = Φ \cdot R_{m}

Φ R_{m f e} + Φ R_{m z r} = Θ_{m v} = I_{v} \cdot N

kjer je $R_{m}$ magnetna upornost ali reluktanca. Tako lahko narišemo zgornjo dušilko v obliki električnega vezja. Vezje zgornjega primera bi tako izgledalo:

$μ_{f e}$ nam pove relativno permiabilnost železa. Mi smo predpostavili, da je linearen ( $μ_{f e}$ je konstanten), vendar v resnici ni. Za več si oglej BH krivulja. Ker je $μ_{f e}$ v rangu nekaj tisoč lahko rečemo, da je magnetna upornost železa zanemarljivo v primerjavi z upornostjo zračne reže.

\frac{R_{m f e}}{R_{m z r}} = \frac{\frac{1}{μ_{0} μ_{f e}}}{\frac{1}{μ_{0}}} = \frac{1}{μ_{f e}} \approx 0

Tako lahko izračunamo flux $Φ$ , kjer prevladuje zračna reža:

Φ = \frac{I \cdot N}{R_{m f e} + R_{m z r}} = \frac{I \cdot N}{R_{m z r}} = \frac{U_{e l}}{R_{e l}} N \frac{μ_{0} A_{z r}}{l_{z r}}

Magnetno polje v zračni reži

Bomo zanemarili, saj predpostavimo, da nimamo zračnih rež. To je bolj kot zanmivost.

Pri prehodu magnetnega polja iz železnega jedra v zračno režo in nazaj se pojavi sprememba efektivne površine, skozi katero teče magnetno polje. Ker magnetno polje išče najkrajšo pot med dvema kosoma železa, se bo rahlo "napihnilo", kar pomeni, da se površina, skozi katero teče, poveča. Ker je flux $Φ$ v jedru in v zračni reži enaka, površina $A$ pa se spremeni, se posledično spremeni tudi gostota magnetnega pretoka $B = \frac{Φ}{A}$ . Zaradi povečanja površine v zračni reži se lahko reluktanca zmanjša, kar vpliva na celotno magnetno vezje.

Stresano magnetno polje

Ko navitje generira magnetno polje, bo ta iskal najkrašo pot, da se zaključi njegova zanka. Zaradi tega, bo del magnetnega polja pobegnil našemu železnemu jedru. Za nas to predstavlja izgube, ker želimo celotni magnetni pretok skozi jedro. Na spodnji sliki je narisano stresano magnetno polje.

Naslednje poglavje: Predavanje 2

Elektromagnetna indukcija - Wikipedija, prosta enciklopedija ↩︎