Návrh toroidního generátoru

Podobné dokumenty
Toroidní generátor. Ing. Ladislav Kopecký, červenec 2017

20ZEKT: přednáška č. 10. Elektrické zdroje a stroje: výpočetní příklady

Rezonanční elektromotor II

Ověření principu motorgenerátoru

Elektromechanický oscilátor

Motory s potlačenou funkcí generátoru

NÁVRH TRANSFORMÁTORU. Postup školního výpočtu distribučního transformátoru

1.1. Základní pojmy 1.2. Jednoduché obvody se střídavým proudem

Bezpohybový elektrický generátor s mezerou uprostřed

Název: Autor: Číslo: Srpen Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

Základy elektrotechniky

Zadání úlohy: Schéma zapojení: Střední průmyslová škola elektroniky a informatiky, Ostrava, příspěvková organizace. Třída/Skupina: / Měřeno dne:

u = = B. l = B. l. v [V; T, m, m. s -1 ]

TRANSFORMÁTORY Ing. Eva Navrátilová

Strana 1 (celkem 11)

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Korekční křivka měřícího transformátoru proudu

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, konstrukce a princip činnosti stejnosměrných strojů

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření magnetických veličin, část 3-9-3

VÝPOČET JEDNOFÁZOVÉHO TRANSFORMÁTORU

Určeno pro posluchače všech bakalářských studijních programů FS

Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava 8. TRANSFORMÁTORY

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

21ZEL2 Transformátory

LABORATORNÍ PROTOKOL Z PŘEDMĚTU SILNOPROUDÁ ELEKTROTECHNIKA

Flyback converter (Blokující měnič)

LC oscilátory s transformátorovou vazbou

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření Měření vlastní a vzájemné indukčnosti část Teoretický rozbor

Měření indukčnosti. 1. Zadání

Merkur perfekt Challenge Studijní materiály

Střídavý proud, trojfázový proud, transformátory

ZADÁNÍ: ÚVOD: SCHÉMA: POPIS MĚŘENÍ:

ISŠT Mělník. Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, Mělník Ing.František Moravec

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření vlastní a vzájemné indukčnosti, část 3-1-3

Tématické okruhy teoretických zkoušek Part 66 1 Modul 3 Základy elektrotechniky

Mˇeˇren ı vlastn ı indukˇcnosti Ondˇrej ˇ Sika

19. Elektromagnetická indukce

ISŠT Mělník. Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, Mělník Ing.František Moravec

Katedra elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava MĚŘENÍ NA JEDNOFÁZOVÉM TRANSFORMÁTORU.

Toroid magnet motor IV

LC oscilátory s nesymetrickým můstkem II

Pracovní list žáka (SŠ)

ZÁKLADNÍ ŠKOLA a MATEŘSKÁ ŠKOLA STRUPČICE, okres Chomutov

Digitální učební materiál

Czech Audio společnost pro rozvoj technických znalostí v oblasti audiotechniky IČ :

6 Měření transformátoru naprázdno

Toroidní elektromotor

Elektromagnetismus 163

Transformátory. Teorie - přehled

Magnetické pole cívky, transformátor vzorová úloha (SŠ)

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření magnetických veličin, část 3-9-4

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, transformátory a jejich vlastnosti

Přehled veličin elektrických obvodů

Věra Keselicová. květen 2013

FYZIKA II. Petr Praus 8. Přednáška stacionární magnetické pole (pokračování) a Elektromagnetická indukce

Několik způsobů měření otáček

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, měření elektrického napětí

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

1 JEDNOFÁZOVÝ INDUKČNÍ MOTOR

Rezonanční obvod jako zdroj volné energie

Interakce ve výuce základů elektrotechniky

C L ~ 5. ZDROJE A ŠÍŘENÍ HARMONICKÝCH. 5.1 Vznik neharmonického napětí. Vznik harmonického signálu Oscilátor příklad jednoduchého LC obvodu:

ISŠT Mělník. Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, Mělník Ing.František Moravec

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, měření elektrického proudu

Laboratorní úloha č. 2 Vzájemná induktivní vazba dvou kruhových vzduchových cívek - Faradayův indukční zákon. Max Šauer

9 V1 SINE( ) Rser=1.tran 1

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření vlastní a vzájemné indukčnosti, část 3-1-4

Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů FS

Asynchronní stroje. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB TUO. Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D. Katedra elektrotechniky.

Mgr. Ladislav Blahuta

Měření transformátoru naprázdno a nakrátko

2. STŘÍDAVÉ JEDNOFÁZOVÉ OBVODY

Měření magnetické indukce elektromagnetu

Elektrický výkon v obvodu se střídavým proudem. Účinnost, účinník, činný a jalový proud

Rezistor je součástka kmitočtově nezávislá, to znamená, že se chová stejně v obvodu AC i DC proudu (platí pro ideální rezistor).

Toroid magnet motor V

STACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava

1 ELEKTRICKÉ STROJE - ZÁKLADNÍ POJMY. 1.1 Vytvoření točivého magnetického pole

ELEKTRICKÉ STROJE - POHONY

9 Měření na jednofázovém transformátoru při různé činné zátěži

Stacionární magnetické pole. Kolem trvalého magnetu existuje magnetické pole.

Zadané hodnoty: R L L = 0,1 H. U = 24 V f = 50 Hz

Ele 1 základní pojmy, požadavky a parametry, transformátory - jejich význam. princip činnosti transformátoru, zvláštní transformátory

Ele 1 asynchronní stroje, rozdělení, princip činnosti, trojfázový a jednofázový asynchronní motor

Základy elektrotechniky

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření na elektrických strojích - transformátor, část 3-2-4

Toroid magnet motor. Ing. Ladislav Kopecký, červenec 2017

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

LABORATORNÍ CVIČENÍ Elektrotechnika a elektronika

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Bc. Karel Hrnčiřík

Laboratorní cvičení č.11

ZÁKLADY ELEKTROTECHNIKY

Magnetické pole se projevuje silovými účinky - magnety přitahují železné kovy.

NESTACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

Elektrické stroje pro hybridní pohony. Indukční stroje asynchronní motory. Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc. ČVUT FEL Praha

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2)

Magnetické pole. Magnetické pole je silové pole, které vzniká následkem pohybu elektrických nábojů.

Transkript:

1 Návrh toroidního generátoru Ing. Ladislav Kopecký, květen 2018 Toroidním generátorem budeme rozumět buď konstrkukci na obr. 1, kde stator je tvořen toroidním jádrem se dvěma vinutími a jehož rotor tvoří dva železné kotouče s magnety po stranách, nebo konstrukci na obr. 2, která má stejný stator, ale rotor je tvořen magnetickým prstencem s radiální magnetizací (obr. 3). Obr. 1: Toroidní generátor s axiálním magnetickým tokem Obr. 2: Simulační model toroidního generátoru bez zátěže Metodika výpočtu parametrů generátoru je použitelná také pro generátor na obr. 4, jenž nazývám jako Ecklinův generátor. Pro přesnost uveďme, že tento princip ke konstrukci generátoru poprvé použil Američan Robert Zimmermann, který již v roce 1957 obdržel US Patent #2,816,240 (viz. Obr. 5).

2 Obr. 3: Rotorový magnet toroidního generátoru Obr. 4: Ecklinův generátor Obr. 5: Zimmermannův generátor

3 Všechny tři konstrukce generátoru mají společný princip generování elektrického napětí, a sice ten, že indukované napětí U i ve statorovém vinutí generátoru je způsobeno časovou změnou magnetického toku Φ v jádru statorové cívky a řídí se indukčním zákonem, který se dá vyjádřit vztahem: U i = -N.dΦ/dt (1) kde N je počet závitů cívky. Na principu indukčního zákona pracuje také transformátor, proto pro návrh toroidního generátoru můžeme použít matematický aparát návrhu transformátoru. Proto nyní svou pozornost upřeme k principu transformátoru a zásadám jeho návrhu. Obr. 1: Princip transformátoru Připojíme-li na primární vinutí střídavé sinusové napětí (obr. 1), začne jím procházet střídavý proud, který vybudí v magnetickém obvodu střídavý magnetický tok Φ. Tento magnetický tok indukuje v sekundárním vinutí napětí U i, jehož velikost je dána indukčním zákonem a je úměrná počtu N závitů: Při návrhu transformátoru se volí taková hodnota indukovaného napětí U i, která je rovna napětí napájecímu. Kdybychom měli ideální transformátor, který má nulové ztráty v železe (v náhradním

4 schématu na obr. 2 představované R FE ) a nekonečně velkou permeabilitu μ, byl by magnetizační proud I o roven nule. V technické praxi se při návrhu transformátoru počítá parametr N 1V, který představuje počet závitů na 1 Volt. Ten na základě výše uvedeného vypočítáme následovně: N 1V = 1/(4,44.Φ max.f) (2) U běžných síťových transformátorů (f = 50Hz), jejichž feromagnetické jádro je složeno z izolovaných plechů vyrobených z elektrotechnické oceli (se 3% křemíku), volíme maximální magnetickou indukci B = 1T. Jestliže v homogenním magnetickém poli pro magnetický tok platí Φ = B.S Fe, kde S Fe je průřez jádra, potom počet závitů na Volt u síťového transformátoru vypočítáme následovně: N 1V = 1/(4,44.1.50.S Fe ) = 1/(222.S Fe ) [-, m 2 ] (3) Hodnota S Fe ve výše uvedeném vzorci je v m 2. V praxi se běžně používá tento vzorec: N 1V = 45/S Fe [-, cm 2 ] (4) kde S fe je v cm 2. Zvídavý čtenář možná přemýšlí, kde se v (4) vzala konstanta 45. Velmi jednoduše: 1/222 = 0,0045045045 a když průřez jádra převedeme ze čtverečních metrů na čtvereční centimetry, tak dostaneme číslo 45. Pokud bychom zvolili jiné sycení jádra než 1 Tesla, dostali bychom jinou konstantu. Například při B max = 1,5 T bychom dospěli ke vzorci N 1V = 30/S Fe. Průřez jádra se určí z příkonu P1 pomocí následujícího vztahu: kde P je výkon transformátoru. S Fe = P.1,2 (5) Vztah (5) je empirický a konstanta 1,2, která platí pro síťové transformátory u rotačních generátorů nemusí platit. Proto do tohoto vztahu zavedeme obecnou konstantu k: Vztah (2) upravíme pro naše potřeby následovně: S Fe = P1.k (6) N 1V = 1/( 2.π.B max.s Fe.f) (7) Z výše uvedeného je zřejmé, že uvedené vztahy platí pouze pro sinusový průběh indukovaného napětí U i. To znamená, že čím více se bude průběh U i blížit sinusovce, tím bude výpočet přesnější. Protože konstanta k ve vztahu (6) je neznámá, musíme ji pro daný typ generátoru určit experimentálně. Stejně tak experimentálně určíme hodnotu B max, protože rozložení B v jádře není homogenní, ale závisí na konkrétní konstrukci generátor. Hodnota B max, kterou zjistíme kombinací experimetu a výpočtu, bude aproximací více hodnot. Při experimentálním určování hodnot k, a B max budeme postupovat následovně: 1) Na toroidní jádro o vhodném průřezu S Fe navimeme N závitů drátem o vhodném průměru D Cu. 2) Pomocí statické magnetické simulace určíme vhodnou velikost rotorových magnetů. 3) Sestavíme generátor a připojíme ho k vhodnému elektrickému pohonu.

5 4) Vypočteme průřez S Cu drátu podle vzorce S Cu = π.d Cu2 /4 5) Vypočteme jmenovitý proud In pro zvolenou hodnotu proudové hustoty J v rozsahu 2,5 až 4A/mm 2 podle vztahu In = S cu.j. Pro začátek zvolíme J = 4A/mm 2. 6) Roztočíme generátor a zatížíme ho rezistorem vhodné velikosti tak, abychom dosáhli jmenovitého proudu In, přičemž použijeme Ohmův zákon R = Un/In, kde Un je svorkové napětí generátoru. 7) Generátor necháme cca hodinu běžet a potom zjistíme oteplení vinutí. Pokud rozdíl mezi teplotou okolí a teplotou vinutí bude větší než 30, po vychladnutí generátoru měření zopakujeme při menším proudu In. 8) Na základě změřeného napětí Un a proudu In vypočítáme jmenovýtý výkon generátoru Pn = U.In. 9) Vypočítáme konstantu k = S fe / Pn. 10) Změříme indukované napětí U i (tj. svorkové napětí generátoru bez zátěže), frekvenci f a vypočteme B max podle vztahu B max = U i /( 2.π.N.f.S Fe ). Nyní již můžeme přistoupit k návrhu generátoru podobným způsobem, jakým navrhujeme transformátory. To znamená, že zvolíme výkon generátoru a svorkové napětí. Vypočítáme jmenovitý proud a průměr drátu. Podle vztahu (6) určíme velikost (toroidního) jádra a podle (7) vypočteme počet závitů na Volt. Celkový počet závitů N cívky bude N = N 1V.Un. Dále, podobně jako u transformátoru, provedeme kontrolu, jestli se vinutí vejde na jádro pro zvolenou vzdálenost rotorových magnetů od jádra statoru. Pokud budeme mít štěstí, povode se nám to napoprvé a nebudeme muset výpočet a simulaci opakovat pro větší mezeru mezi magnety a statorovým jádrem.