Charakterisierung von magnetischen Komponenten
Quelle: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT.
Das Ziel dieses Experiments ist es, praktische Erfahru…
1. relative Permeabilität Identifikation
Folgen Sie den Anweisungen um die relative Permeabilität der kleine Induktivität (gelb/weiß Ferritkern) zu finden. Die Kerndimensionen sind in Abb. 2 dargestellt, und die Anzahl der Windungen ist N= 75.
- Messen Sie einen LCR-Meter die Induktivität des Induktors 120 Hz und 1000 Hz.
- Die Schaltung in Abb. 1 auf einem Proto-Board zu bauen, aber die Funktion Generatorleistung getrennt aus dem Proto-Vorstand halten.
- Überprüfen Sie eine differentielle Spannung-Sonde und eine Stromzange für keine Versätze mit der Stromzange auf Kanal 1 und die Spannung Sonde angeschlossen auf Kanal 2.
- Beachten Sie die Skalierungsfaktoren für Differenzialfühler auf die Sonde selbst und über den Umfang. Legen Sie die Differenzialfühler auf 1/20 für eine bessere Auflösung.
- Legen Sie den aktuellen Prüfpunkt auf 100 mV / A auf die Sonde selbst und 1 X auf den Anwendungsbereich. Denken Sie daran, dass diese Skalierungsfaktoren verwendet werden, wenn Berechnungen durchführen müssen.
- Stellen Sie die Funktion Generator Ausgang 10 V Spitze und 1000 Hz sinusförmig Wellenform (50 Ω BNC Ausgang). Beobachten Sie die Wellenform, die mit der Sonde differentielle Spannung.
- Abgeben Sie der Funktionsgenerator, selbst wenn getrennt, aber vermeiden Sie Kurzschließen der Klemmen. Der Funktionsgenerator ausschalten, wird viele Einstellungen zurückgesetzt.
- Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung VC und i.
- Überprüfen Sie, dass die Schaltung wie gewünscht und alle Verbindungen werden beibehalten.
- Der Funktionsgenerator an den Stromkreis anschließen.
- Mache einen Screenshot von dem gemessenen Strom und Spannung mit mindestens drei Perioden, die neben den Höhepunkt oder die RMS-Werte der gemessenen Signale gezeigt.
- Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
- Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
- Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
- Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
- Stellen Sie die Funktion Generator Frequenz von 120 Hz und wiederholen Sie den B-H-Kurve-Screenshot nach der Kurve einstellen, je nach Bedarf zu.
- Der Funktionsgenerator lösen und Entfernen des Induktors. Den Rest der Strecke intakt zu halten.
Abbildung 2 : Dimensionen des kleineren Induktivität Kerns. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
2. ermitteln die Anzahl der Windungen
Die größere schwarze Induktivität (Bourns 1140-472K-RC) hat eine unbekannte Anzahl von Umdrehungen. Zur Vereinfachung der Berechnungen übernehmen Sie den Kern einer All-Luftkern Magnetventil mit einem Radius von 1,5 cm und 2,5 cm lang sein. Wenn diese Annahme nicht genommen wird, die Geometrie des Kerns wird müssen berücksichtigt werden und Berechnungen zu erschweren. Diese Annahme ist jedoch immer noch vernünftig gegeben, die mit einem Magnetventil Flussmittel hat Luft auf beiden Seiten des Geräts passieren und Luft ist das dominierende Flussmittel Pfad Medium.
- Mit dem LCR-Meter, Messen Sie die Induktivität der bereitgestellten Induktivität bei 120 Hz und 1000 Hz.
- Ort der Induktor in der Schaltung in Abb. 1 gezeigt, noch intakt aus dem vorherigen Teil des Experiments sein sollten.
- Überprüfen Sie eine differentielle Spannung-Sonde und eine Stromzange für keine Versätze mit der Stromzange auf Kanal 1 und die Spannung Sonde angeschlossen auf Kanal 2.
- Beachten Sie die Skalierungsfaktoren für Differenzialfühler auf die Sonde selbst und über den Umfang. Legen Sie die Differenzialfühler auf 1/20 für eine bessere Auflösung.
- Legen Sie den aktuellen Prüfpunkt auf 100 mV / A auf die Sonde selbst und 1 X auf den Anwendungsbereich. Denken Sie daran, dass diese Skalierungsfaktoren verwendet werden müssen, wenn Berechnungen nutzen alle Messungen oder Daten zur weiteren Analyse erfasst.
- Stellen Sie die Funktion Generator Ausgang 10 V Spitze und 1000 Hz sinusförmig Wellenform (50 Ω BNC Ausgang). Beobachten Sie die Wellenform, die mit der Sonde differentielle Spannung.
- Abgeben Sie der Funktionsgenerator, selbst wenn getrennt, aber vermeiden Sie Kurzschließen der Klemmen. Der Funktionsgenerator ausschalten, wird viele Einstellungen zurückgesetzt.
- Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung VC und i.
- Überprüfen Sie die Schaltung, und stellen Sie sicher, dass Verbindungen wie gewünscht.
- Der Funktionsgenerator an den Stromkreis anschließen.
- Mache einen Screenshot von dem gemessenen Strom und Spannung mit mindestens drei Perioden, die neben den Höhepunkt oder die RMS-Werte der gemessenen Signale gezeigt.
- Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
- Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
- Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
- Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
- Stellen Sie die Funktion Generator Frequenz von 120 Hz und wiederholen Sie den B-H-Kurve-Screenshot nach der Kurve einstellen, je nach Bedarf zu.
- Schalten Sie der Funktionsgenerator aus und zerlegen Sie die Schaltung zu.
(3) B-H-Kurve von einem 60 Hz-Transformator
Der Transformator in dieser Demonstration Schritte auf 115 V RMS auf 24 V RMS verwendet, sondern kann nur für die B-H-Kurve Charakterisierung in diesem Experiment verwendet werden, so werden nur die 120 V RMS Klemmen verwendet. Der Transformator-Dimensionen sind in Abb. 3 gezeigt.
- Mit dem LCR-Meter messen die Induktivität der Wicklung bei 120 Hz 115 V-Seite (näher an der bewerteten 60 Hz).
- Sicherstellen Sie, dass der drei-Phasen-Trennschalter ausgeschaltet ist.
- Drehstrom-Kabel an den VARIAC.
- Bauen Sie die Schaltung in Abb. 4 dargestellt. Haben Sie den Transformator auf der Seite der Proto-Vorstand sitzen. Verwenden Sie Banane Kabel zum AC1 und N aus dem VARIAC das Proto-Board herstellen.
- Stellen Sie sicher, dass die VARIAC auf 0 % eingestellt ist.
- Überprüfen Sie eine differentielle Spannung-Sonde und eine Stromzange für keine Versätze mit der Stromzange auf Kanal 1 und die Spannung Sonde angeschlossen auf Kanal 2.
- Notieren Sie sich die Skalierungsfaktoren für Differenzialfühler auf die Sonde selbst und über den Umfang. Legen Sie die Skalierung auf 1/200 Differenzialfühler.
- Legen Sie den aktuellen Prüfpunkt auf 100 mV / A auf die Sonde selbst und 1 X auf den Anwendungsbereich. Beachten Sie, dass diese Skalierungsfaktoren müssen bei Berechnungen verwendet werden.
- Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung VC und i.
- Überprüfen Sie die Schaltung.
- Schalten Sie der Drehstrom-Trennschalter ein, und einstellen Sie langsam der VARIAC bis 90 % erreicht wird.
- Mache einen Screenshot von dem gemessenen Strom und Spannung mit mindestens drei Perioden, die neben den Höhepunkt oder die RMS-Werte der gemessenen Signale gezeigt.
- Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
- Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
- Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
- Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
- Wiederherstellen Sie der VARIAC auf 0 %, schalten Sie den Trennschalter aus und zerlegen Sie die Schaltung zu.
Abbildung 3 : Dimensionen des Transformators Kerns. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 : Testen Schaltung zu bestimmen, die B-H-Kurve eines Transformators 60 Hz. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Magnetische Elemente, wie z. B. Induktivitäten oder Transformatoren, haben charakteristische Eigenschaften, die von dem magnetischen Material abhängen, das den Kern im Inneren der Spule bildet. Wenn Strom in einer Induktivitäts- oder Transformatorspule fließt, entsteht ein Magnetfeld. Die Fähigkeit des Kernmaterials, das Magnetfeld zu halten, die sogenannte Permeabilität, bestimmt die Stärke des Feldes, die als Magnetisierungskraft bezeichnet wird. Die Magnetisierungskraft erzeugt dann einen magnetischen Fluss im Induktorkern. In Induktivitäten und Transformatoren ist die Beziehung zwischen Magnetisierungskraft und Flussdichte definiert als der magnetische Fluss durch eine Querschnittsfläche und kann mit Hilfe einer B-H-Kurve analysiert werden. Die B-H-Kurve beschreibt das Kernmaterial und gibt seine magnetische Sättigungsgrenze an. Dies geschieht, wenn zusätzlicher Strom durch die Wicklungen den magnetischen Fluss nicht mehr erhöht. Dieses Video veranschaulicht die Messung von BH-Kurven für Induktivitäten und Transformatoren und die Charakterisierung des Kernmaterials und der Induktivitätswicklungen.
Eine B-H-Kurve zeigt die Beziehung zwischen der magnetischen Flussdichte B und der magnetischen Feldstärke H. Mit zunehmender magnetischer Feldstärke steigt zunächst auch die Flussdichte auf einen bestimmten Maximalwert an. Nach diesem Punkt führt jede Erhöhung der magnetischen Feldstärke zu keiner signifikanten Erhöhung der magnetischen Flussdichte und das Material gilt als gesättigt. Echte magnetische Materialien weisen eine Hysterese auf, da das Material abwechselnd in positiver und negativer Richtung magnetisiert wird. Dies bedeutet, dass, wenn die Magnetfeldstärke wieder auf Null reduziert wird, ein gewisser Restmagnetismus übrig bleibt. Die Fläche innerhalb der B-H-Kurve ist proportional zum Energieverlust, da das Material in positiver und negativer Richtung magnetisiert wird. Aufgrund dieser Eigenschaft wird ein Material mit geringerem Hystereseverlust, wie z. B. Stahl, häufig in Transformatorkernen verwendet. Die B-H-Kurve kann auch verwendet werden, um die Permeabilität eines Materials zu beschreiben, die als Verhältnis von magnetischer Flussdichte zu magnetischer Feldstärke berechnet wird. Sie wird oft mit der Durchlässigkeit des Freiraums in Verbindung gebracht und daher als relative Durchlässigkeit bezeichnet. Materialien mit sehr geringer magnetischer Suszeptibilität, wie z.B. Holz, haben eine geringe relative Permeabilität. Während Materialien mit hoher magnetischer Suszeptibilität, wie z.B. Eisen, eine hohe relative Permeabilität aufweisen. Um eine B-H-Kurve zu erstellen, muss zunächst die Flussdichte B bestimmt werden. Dazu wird die Änderungsflussrate gemessen, die mit Hilfe des Faradayschen Gesetzes relativ zur Spannung an der Spule ist. Dies kann durch eine einfache RC-Schaltung, die parallel zur Spule geschaltet ist, identifiziert werden. Nähere Informationen zu diesen Berechnungen finden Sie im Textprotokoll. Die magnetische Feldstärke (H) kann anhand des Ampereschen Gesetzes und messbarer Variablen, des Stroms in der Spule, der Anzahl der Wicklungsumdrehungen und der durchschnittlichen Länge des Kerns ermittelt werden. Die B-H-Kurve eines Materials kann aus Messungen des Stroms und des Zeitintegrals der Spannung über das Element geschätzt werden. Wenn auch die Windungszahl und die Abmessungen der Elemente bekannt sind, können diese auf tatsächliche Mengen skaliert werden. Lassen Sie uns nun zeigen, wie Sie die relative Permeabilität messen und B-H-Kurven berechnen.
In diesen Experimenten werden drei magnetische Komponenten vermessen, eine kleine Induktivität mit Ferritkern, eine größere schwarze Induktivität mit einer unbekannten Windungszahl und ein 60-Hz-Transformator. Beginnen Sie mit dem kleinen Induktor mit den abgebildeten Abmessungen und einer Wicklung mit der Windungszahl 75. Messen Sie zunächst die Induktivität der Induktivität bei 120 und 1.000 Hz mit einem LCR-Messgerät. Bauen Sie dann die Schaltung wie gezeigt auf, halten Sie den Ausgang des Funktionsgenerators bei 50 Ohm und ziehen Sie das BNC-Anschlusskabel ab. Schließen Sie als Nächstes die Differenzspannungs- und Stromtastköpfe an und stellen Sie sicher, dass keine Offsets vorhanden sind. Stellen Sie den Differenztastkopf für eine bessere Auflösung auf 120 ein. Stellen Sie abschließend die Stromsonde auf 100 Millivolt pro Ampere an der Sonde und 1x am Oszilloskop ein. Und notieren Sie sich diese Skalierungsfaktoren für spätere Berechnungen. Stellen Sie den Ausgang des Funktionsgenerators auf eine Sinus-Soto-Wellenform von 1.000 Hz mit einem Spitzenwert von 10 Volt ein. Messen Sie VC und I, schließen Sie den Funktionsgenerator an und stellen Sie sicher, dass alle Schaltkreisverbindungen wie abgebildet sind. Notieren Sie dann den gemessenen Strom und die gemessene Spannung. Ändern Sie abschließend das Anzeigeformat des Oszilloskops von yt in xy, um die B-H-Kurve anzuzeigen. Stellen Sie die vertikalen Einstellknöpfe für Kanal eins und Kanal zwei ein, bis die Kurve auf den Bildschirm des Zielfernrohrs passt. Stabilisieren Sie als Nächstes die Kurve, indem Sie die Option "Persist" für die Anzeige festlegen. Machen Sie dann einen Screenshot der Kurve. Stellen Sie zuletzt die Frequenz des Funktionsgenerators auf 120 Hz ein und machen Sie den Screenshot der B-H-Kurve erneut, nachdem Sie die Kurveneinstellungen nach Bedarf angepasst haben. Trennen Sie abschließend den Funktionsgenerator und entfernen Sie die Induktivität. Lassen Sie den Rest der Schaltung intakt.
Um die Windungszahl für die größere Induktivität zu bestimmen, messen wir zunächst ihre B-H-Kurve. Um die Berechnungen zu vereinfachen, nehmen Sie an, dass es sich bei dem Kern um einen reinen Luftkern handelt. Messen Sie zunächst die Induktivität der Induktivität bei 120 und 1.000 Hz mit dem LCR-Messgerät. Platzieren Sie dann die Induktivität in der RC-Schaltung. Messen Sie die B-H-Kurve für die größere Induktivität mit dem gleichen Verfahren, das für die kleine Induktivität beschrieben wurde. Beobachten und protokollieren Sie den gemessenen Strom und die gemessene Spannung. Zeigen Sie die B-H-Kurve an. Stellen Sie die Frequenz des Funktionsgenerators auf 120 Hz ein und passen Sie die Kurveneinstellungen nach Bedarf an.
Einphasige Transformatoren bestehen aus zwei Wicklungen, die durch einen Magnetkern gekoppelt sind. Hier wird die B-H-Kurve für 60 Hz Transformator gemessen. Messen Sie mit dem LCR-Messgerät die Induktivität der 115-Volt-Seitenwicklung bei 120 Hz. Montieren Sie dann die Schaltung, indem Sie AC1 und N von der Variac- zur Primärseite des Transformators über die Protoboard-Schaltung mit Bananenkabeln verbinden. Passen Sie die Skalierungsfaktoren und Parameter des Funktionsgenerators wie zuvor beschrieben an. Messen Sie mit dem Variac bei 90 Prozent den Strom und die Spannung. Zeigen Sie dann die B-H-Kurve an und zeichnen Sie sie auf.
Wenn die Windungszahl der Spule, die durchschnittliche Kernlänge und die Querschnittsfläche bekannt sind, wird die Induktivität der Spule direkt gemessen und die relative Permeabilität kann berechnet werden. Alternativ kann eine gemessene B-H-Kurve verwendet werden, um die relative Permeabilität eines Elements zu bestimmen und dann die Anzahl der Windungen in der Spule zu berechnen. Im linearen Bereich der B-H-Kurve kann die relative Permeabilität aus der Steigung ermittelt werden. Unter Verwendung der relativen Permeabilität und unter der Voraussetzung, dass die Induktivität und die Kernabmessungen bekannt sind, kann die Windungszahl anhand der folgenden Beziehung leicht berechnet werden.
Induktivitäten und andere elektromagnetische Geräte, wie z. B. Transformatoren, sind in vielen elektrischen, elektronischen und mechanischen Systemen üblich. Das Stromnetz versorgt die Verbraucher mit Strom, indem es Hochspannungsstrom über Übertragungsleitungen über große Entfernungen verteilt. Über weite Strecken sind hohe Spannungen erforderlich, um Energieverluste auszugleichen. Transformatoren werden entlang von Stromleitungen eingesetzt, um die höheren Übertragungsspannungen auf die niedrigeren Werte abzusenken, die in Verteilerstationen und für die Versorgung mit den Endverbrauchern benötigt werden. Transformatoren übertragen Energie durch elektromagnetische Induktion und ermöglichen so eine kontrollierte Absenkung der Wechselspannungen. Sie werden aufgrund des hohen magnetischen Sättigungspunkts von Stahl üblicherweise mit Stahlkernen konstruiert. Der Statormagnet induziert ein rotierendes Magnetfeld im Rotor, wodurch sich der Rotor dreht. Effektiv ist der Stator die Primärwicklung eines Transformators und der Käfigläufer die Sekundärwicklung. AC-Induktionsmotoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Der Motor besteht aus einem äußeren stationären gewickelten Magneten und dem inneren ferromagnetischen Kern des Rotors. Typischerweise eine zylindrische Anordnung von leitfähigen Stäben, die den Käfigläufer bilden.
Sie haben gerade JoVEs Einführung in die Charakterisierung magnetischer Komponenten gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie Sie B-H-Kurven von Induktivitäten und Transformatoren messen und gleichzeitig unbekannte Designfaktoren wie relative Permeabilität und Windungszahl identifizieren. Danke fürs Zuschauen.
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Q1: What does a B-H curve tell you about magnetic material?
A B-H curve shows the relationship between magnetic flux density (B) and magnetic field strength (H) for a core material. It identifies the magnetic saturation limit, where additional current no longer increases magnetic flux. The curve also reveals hysteresis loss, which is the energy dissipated as the material is magnetized in positive and negative directions.
Q2: Why is steel commonly used in transformer cores?
Steel is preferred for transformer cores because it exhibits lower hysteresis loss compared to other magnetic materials. This property reduces energy dissipation during magnetization cycles. Steel also has a high magnetic saturation point, making it suitable for handling the magnetic flux demands in transformers used throughout power distribution systems.
Q3: How is relative permeability calculated from a B-H curve?
Relative permeability is calculated as the ratio of magnetic flux density to magnetic field strength. In the linear region of the B-H curve, relative permeability can be found directly from the slope. Once relative permeability is determined, it can be used to calculate unknown design factors like the number of turns in a coil when inductance and core dimensions are known.
Q4: What causes magnetic hysteresis in core materials?
Magnetic hysteresis occurs because residual magnetism remains in the material even after the magnetic field is reduced to zero. As the material is alternately magnetized in positive and negative directions, this residual magnetism creates a lag between applied field strength and resulting flux density. The area enclosed by the B-H curve is proportional to the energy lost during this cyclic magnetization process.
Q5: How do you measure magnetic flux density in an inductor or transformer?
Magnetic flux density is determined by measuring the flux rate of change using Faraday's Law, which relates it to the voltage across the coil. An RC circuit in parallel with the coil is used to measure this voltage. Combined with the number of winding turns and core dimensions, these measurements can be scaled to calculate actual flux density values for creating B-H curves.
Q6: What is magnetic saturation and why does it matter?
Magnetic saturation occurs when additional current through the windings no longer increases magnetic flux in the core. At this point, the material reaches its maximum flux density capacity. Understanding saturation limits is critical for inductor and transformer design, as exceeding saturation can cause core heating, reduced efficiency, and potential device failure in electrical systems.
Q7: How does permeability differ between materials like iron and wood?
Materials with high magnetic susceptibility, such as iron, have high relative permeability and strongly support magnetic field formation. Conversely, materials with low magnetic susceptibility, like wood, have low relative permeability and provide minimal magnetic field support. This difference determines how effectively a material can be used as a core in inductors and transformers.