Caracterización de componentes magnéticos
Fuente: Ali Bazzi, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad de Connecticut, Storrs, CT.
El objetivo de este experimento es obtener experienci…
1. relativa permeabilidad identificación
Siga el procedimiento para obtener la permeabilidad relativa del pequeño inductor (núcleo de ferrita de amarillo/blanco). Las dimensiones del núcleo se muestran en la figura 2, y el número de vueltas es N= 75.
- Con un Medidor LCR, mida la inductancia del inductor de 120 Hz y 1000 Hz.
- Construir el circuito en la figura 1 en un proto-board, pero mantener la salida del generador de función desconectada del proto-board.
- Compruebe una sonda de voltaje diferencial y una sonda de corriente para no compensaciones con la sonda de corriente conectados en el canal 1 y la sonda de tensión conectados en el canal 2.
- Tenga en cuenta los factores de escala para la sonda diferencial en la punta de prueba sí mismo y en el ámbito de aplicación. Coloque la sonda diferencial 1/20 para una mejor resolución.
- Fijar la sonda de corriente a 100 mV / A en la sonda de sí mismo y 1 X en el ámbito de aplicación. Recuerde que estos factores de escala deben utilizarse al realizar cálculos.
- La función de salida del generador (50 Ω BNC conector de salida) en 10 V pico y forma de onda sinusoidal de 1000 Hz. Observar la forma de onda utilizando la sonda de voltaje diferencial.
- Deja el generador de funciones en incluso cuando se desconecta, pero evitar cortocircuitos en sus terminales. Apagar el generador de función reajusta la configuración muchas.
- Conecte la corriente y voltaje de las sondas para medir vC y i.
- Compruebe que el circuito es como desea y que todas las conexiones se mantienen.
- Conecte el generador al circuito.
- Tome una captura de pantalla de la medida corriente y voltaje con al menos tres períodos que se muestra además el pico o los valores RMS de las señales de medida.
- Desde el menú "Pantalla" en el ámbito de aplicación, cambiar el formato de presentación de "YT" a "XY".
- Observar la curva de B-H por el canal 1 y canal 2 ajuste vertical pomos de ajuste hasta que la curva ajusta a la pantalla de alcance.
- Para ver una curva más estable, utilice la opción "persisten" en el menú de la pantalla a un ajuste de s 1 o 2.
- Tomar una captura de pantalla de la curva de B-H medida.
- Ajustar la frecuencia del generador de función a 120 Hz y retomar la captura de pantalla de la curva de B-H después de los ajustes de la curva de ajuste según sea necesario.
- Desconecte el generador de funciones y quitar el inductor. Mantener intacto el resto del circuito.
Figura 2 : Dimensiones de la base menor del inductor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
2. identificar el número de vueltas
El mayor inductor negro (Bourns 1140-K 472-RC) tiene un número desconocido de vueltas. Para simplificar los cálculos, suponga la base que un solenoide de núcleo de aire de todos con un radio de 1,5 cm y 2,5 cm de longitud. Si esta hipótesis no se toma, la geometría de la base tendrá que ser considerado y complica los cálculos. Sin embargo, esta hipótesis es aún razonable teniendo en cuenta que con un solenoide, flujo debe pasar a través del aire a ambos lados del dispositivo y el aire es el medio de la ruta de flujo dominante.
- Con el Medidor LCR, mida la inductancia del inductor proporcionado a 120 Hz y 1000 Hz.
- Colocar el inductor en el circuito mostrado en la figura 1, que debe estar intacta de la parte anterior del experimento.
- Compruebe una sonda de voltaje diferencial y una sonda de corriente para no compensaciones con la sonda de corriente conectados en el canal 1 y la sonda de tensión conectados en el canal 2.
- Tenga en cuenta los factores de escala para la sonda diferencial en la punta de prueba sí mismo y en el ámbito de aplicación. Coloque la sonda diferencial 1/20 para una mejor resolución.
- Fijar la sonda de corriente a 100 mV / A en la sonda de sí mismo y 1 X en el ámbito de aplicación. Recuerde que estos factores de escala deben utilizarse cuando haciendo cálculos utilizando datos ni mediciones de captura para su posterior análisis.
- La función de salida del generador (50 Ω BNC conector de salida) en 10 V pico y forma de onda sinusoidal de 1000 Hz. Observar la forma de onda utilizando la sonda de voltaje diferencial.
- Deja el generador de funciones en incluso cuando se desconecta, pero evitar cortocircuitos en sus terminales. Apagar el generador de función reajusta la configuración muchas.
- Conecte la corriente y voltaje de las sondas para medir vC y i.
- Controlar el circuito y compruebe que las conexiones como deseado.
- Conecte el generador al circuito.
- Tome una captura de pantalla de la medida corriente y voltaje con al menos tres períodos que se muestra además el pico o los valores RMS de las señales de medida.
- Desde el menú "pantalla" en el ámbito de aplicación, cambiar el formato de presentación de "YT" a "XY".
- Observar la curva de B-H por el canal 1 y canal 2 ajuste vertical pomos de ajuste hasta que la curva ajusta a la pantalla de alcance.
- Para ver una curva más estable, utilice la opción "persisten" en el menú de la pantalla a un ajuste de s 1 o 2.
- Tomar una captura de pantalla de la curva de B-H medida.
- Ajustar la frecuencia del generador de función a 120 Hz y retomar la captura de pantalla de la curva de B-H después de los ajustes de la curva de ajuste según sea necesario.
- Apague el generador de funciones y desarme el circuito.
3. B-H la curva de un transformador de 60 Hz
El transformador utilizado en este pasos de la demostración abajo 115 V RMS para 24 V RMS, pero puede utilizarse para la caracterización de la curva de B-H en este experimento, por lo tanto se utilizan sólo los 120 terminales V RMS. Las dimensiones del transformador se muestran en la figura 3.
- Usar el Medidor LCR, medir la inductancia 115 V-del lado de la bobina en 120 Hz (más cerca de lo 60 Hz nominal).
- Asegúrese que el interruptor de desconexión trifásica esté en la posición de apagado.
- Conecte el cable de corriente trifásica a la VARIAC.
- Construya el circuito mostrado en la figura 4. Tiene el transformador de sentarse en el lado del proto-board. Utilice cables banana para conectar AC1 y N de la VARIAC para el proto-board.
- Asegúrese de que el VARIAC se establece en 0%.
- Compruebe una sonda de voltaje diferencial y una sonda de corriente para no compensaciones con la sonda de corriente conectados en el canal 1 y la sonda de tensión conectados en el canal 2.
- Anotar los factores de escala para la sonda diferencial en la punta de prueba sí mismo y en el ámbito de aplicación. Fijar la sonda diferencial de escala 1/200.
- Fijar la sonda de corriente a 100 mV / A en la sonda de sí mismo y 1 X en el ámbito de aplicación. Recuerde que estos factores de escala deben usarse al hacer cálculos.
- Conecte la corriente y voltaje de las sondas para medir vC y i.
- Controlar el circuito.
- Encienda el interruptor de desconexión trifásica y ajuste lentamente el VARIAC hasta llegar a 90%.
- Tome una captura de pantalla de la medida corriente y voltaje con al menos tres períodos que se muestra además el pico o los valores RMS de las señales de medida.
- Desde el menú "Pantalla" en el ámbito de aplicación, cambiar el formato de presentación de "YT" a "XY".
- Observar la curva de B-H por el canal 1 y canal 2 ajuste vertical pomos de ajuste hasta que la curva ajusta a la pantalla de alcance.
- Para ver una curva más estable, utilice la opción "persisten" en el menú de la pantalla a un ajuste de s 1 o 2.
- Tomar una captura de pantalla de la curva de B-H medida.
- Restaurar el VARIAC de 0%, gire el interruptor de desconexión off y desmontar el circuito.
Figura 3 : Dimensiones de la base del transformador. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 : Prueba de circuito para determinar la curva de B-H de un transformador de 60 Hz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Los elementos magnéticos, como inductores o transformadores, tienen propiedades características que dependen del material magnético que forma el núcleo dentro de la bobina. Cuando la corriente fluye en una bobina de inductor o transformador, crea un campo magnético. La capacidad del material central para mantener el campo magnético, llamada permeabilidad, determina la fuerza del campo, llamada fuerza magnetizante. La fuerza de magnetización produce entonces un flujo magnético en el núcleo del inductor. En inductores y transformadores, la relación entre la fuerza de magnetización y la densidad de flujo se define como el flujo magnético a través de un área de sección transversal y se puede analizar utilizando una curva B-H. La curva B-H describe el material del núcleo e identifica su límite de saturación magnética. Esto ocurre cuando la corriente adicional a través de los devanados ya no aumenta el flujo magnético. Este video ilustra la medición de curvas BH para inductores y transformadores y la caracterización del material del núcleo y los devanados del inductor.
Una curva B-H muestra la relación entre la densidad de flujo magnético, B, y la intensidad del campo magnético, H. Inicialmente, a medida que aumenta la intensidad del campo magnético, la densidad de flujo también aumenta hasta un cierto valor máximo. Después de este punto, cualquier aumento en la intensidad del campo magnético no da como resultado un aumento significativo en la densidad de flujo magnético y el material se considera saturado. Los materiales magnéticos reales exhiben histéresis a medida que el material se magnetiza alternativamente en las direcciones positiva y negativa. Esto implica que a medida que la intensidad del campo magnético se reduce a cero, queda algo de magnetismo residual. El área dentro de la curva B-H es proporcional a la pérdida de energía a medida que el material se magnetiza en las direcciones positiva y negativa. Un material con menor pérdida por histéresis, como el acero, se usa comúnmente en los núcleos de los transformadores debido a esta propiedad. La curva B-H también se puede utilizar para describir la permeabilidad de un material, calculada como la relación entre la densidad de flujo magnético y la intensidad del campo magnético. A menudo se relaciona con la permeabilidad del espacio libre y, por lo tanto, se denomina permeabilidad relativa. Los materiales con muy baja susceptibilidad magnética, como la madera, tienen una permeabilidad relativa baja. Mientras que los materiales con alta susceptibilidad magnética, como el hierro, tienen una alta permeabilidad relativa. Para crear una curva B-H, primero se debe determinar la densidad de flujo, B. Para esto, se mide la tasa de cambio de flujo, que es relativa al voltaje a través de la bobina usando la Ley de Faraday. Esto se puede identificar usando un simple circuito RC en paralelo con la bobina. Para obtener información más detallada sobre estos cálculos, consulte el protocolo de texto. La intensidad del campo magnético, o H, se puede encontrar utilizando la Ley de Ampere y variables medibles, la corriente en la bobina, el número de vueltas de bobinado y la longitud promedio del núcleo. La curva B-H de un material se puede estimar a partir de mediciones de corriente y la integral de tiempo del voltaje a través del elemento. Cuando también se conoce el número de vueltas y las dimensiones de los elementos, estos se pueden escalar a cantidades reales. Ahora, demostremos cómo medir la permeabilidad relativa y calcular las curvas B-H.
En estos experimentos, se miden tres componentes magnéticos, un pequeño inductor con un núcleo de ferrita, un inductor negro más grande con un número desconocido de vueltas y un transformador de 60 Hz. Comience con el inductor pequeño con las dimensiones que se muestran y un número de vueltas de bobinado de 75. En primer lugar, mida la inductancia del inductor a 120 y 1.000 Hz utilizando un medidor LCR. En segundo lugar, construya el circuito como se muestra, manteniendo la salida del generador de funciones a 50 ohmios y el cable conector BNC desconectado. A continuación, conecte las sondas de voltaje y corriente diferenciales y verifique que no haya compensaciones. Ajuste la sonda diferencial a 120 para una mejor resolución. Finalmente, configure la sonda de corriente a 100 milivoltios por amperio en la sonda y 1x en el visor. Y tenga en cuenta estos factores de escala para cálculos posteriores. Ajuste la salida del generador de funciones a una forma de onda sinusoidal de 1.000 Hz con un pico de 10 voltios. Mida VC e I, conecte el generador de funciones y verifique que todas las conexiones de circuitos sean como se muestra. Luego, registre la corriente y el voltaje medidos. Finalmente, cambie el formato de visualización del osciloscopio de yt a xy para mostrar la curva B-H. Ajuste las perillas de ajuste vertical del canal uno y del canal dos hasta que la curva se ajuste a la pantalla del visor. A continuación, estabilice la curva configurando la opción de persistencia para la pantalla. Y luego, toma una captura de pantalla de la curva. Por último, ajuste la frecuencia del generador de funciones a 120 Hz y vuelva a tomar la captura de pantalla de la curva B-H después de ajustar la configuración de la curva según sea necesario. Finalmente, desconecte el generador de funciones y retire el inductor. Mantén el resto del circuito intacto.
Para determinar el número de vueltas del inductor más grande, primero midamos su curva B-H. Para simplificar los cálculos, suponga que el núcleo es un núcleo totalmente aéreo. En primer lugar, mida la inductancia del inductor a 120 y 1.000 Hz con el medidor LCR. Luego, coloque el inductor en el circuito RC. Mida la curva B-H para el inductor más grande utilizando el mismo procedimiento descrito para el inductor pequeño. Observe y registre la corriente y el voltaje medidos. Visualice la curva B-H. Ajuste la frecuencia del generador de funciones a 120 Hz y ajuste la configuración de la curva según sea necesario.
Los transformadores monofásicos constan de dos devanados acoplados por un núcleo magnético. Aquí se mide la curva B-H para un transformador de 60 Hz. Con el medidor LCR, mida la inductancia del devanado lateral de 115 voltios a 120 Hz. Luego, ensamble el circuito conectando AC1 y N desde el variac al lado primario del transformador a través del circuito de protoplaca usando cables banana. Ajuste los factores de escala y los parámetros del generador de funciones como se ha descrito anteriormente. Con el variac al 90 por ciento, mida la corriente y el voltaje. A continuación, visualice y registre la curva B-H.
Si se conoce el número de vueltas de la bobina, la longitud promedio del núcleo y el área de la sección transversal, entonces la inductancia de la bobina se mide directamente y se puede calcular la permeabilidad relativa. Alternativamente, se puede usar una curva B-H medida para determinar la permeabilidad relativa de un elemento y luego calcular el número de vueltas en la bobina. En la región lineal de la curva B-H, la permeabilidad relativa se puede encontrar a partir de la pendiente. Utilizando la permeabilidad relativa, y dado que se conocen las dimensiones de la inductancia y del núcleo, el número de vueltas se puede calcular fácilmente utilizando la siguiente relación.
Los inductores y otros dispositivos electromagnéticos, como los transformadores, son comunes en muchos sistemas eléctricos, electrónicos y mecánicos. La red eléctrica proporciona electricidad a los consumidores mediante la distribución de electricidad de alto voltaje a largas distancias a través de líneas de transmisión. Se requieren altos voltajes a largas distancias para compensar las pérdidas de energía. Los transformadores se utilizan a lo largo de las líneas eléctricas para reducir los voltajes de transmisión más altos a los niveles más bajos necesarios en las estaciones de distribución y para el suministro al usuario final. Los transformadores transfieren energía a través de la inducción electromagnética, lo que permite la reducción controlada de los voltajes de CA. Por lo general, están diseñados con núcleos de acero debido al alto punto de saturación magnética del acero. El imán del estator induce un campo magnético giratorio en el rotor que hace que el rotor gire. Efectivamente, el estator es el devanado primario de un transformador, y la jaula de ardilla, el devanado secundario. Los motores de inducción de CA se utilizan en una gran variedad de aplicaciones. El motor consta de un imán bobinado estacionario externo y el núcleo ferromagnético interno del rotor. Típicamente, una disposición cilíndrica de barras conductoras que forman la jaula de la ardilla.
Acabas de ver la Introducción a la Caracterización de Componentes Magnéticos de JoVE. Ahora debería comprender cómo medir las curvas B-H de inductores y transformadores, mientras identifica factores de diseño desconocidos, como la permeabilidad relativa y el número de vuelta. Gracias por mirar.
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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.