Name: b-h curves and inductor core limits
Uploaded: 2023-04-30T06:42:59.000Z
Duration: 10 min 41 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Arizona Science Standards

High School

Physical Science

HS+Phy.P2

HS+Phy.P2U1.1

Characterization of Magnetic Components

1. Identyfikacja przepuszczalności względnej
Postępuj zgodnie z procedurą, aby znaleźć względną przepuszczalność małej cewki indukcyjnej (żółto-biały rdzeń ferrytowy). Wymiary rdzenia pokazano na rys. 2, a liczba zwojów wynosi N=75. 
<ol>
	<li>Za pomocą miernika LCR zmierz indukcyjność cewki indukcyjnej zarówno przy 120 Hz, jak i 1000 Hz.</li>
	<li>Zbuduj obwód z rys. 1 na proto-płytce, ale pozostaw wyjście generatora funkcyjnego odłączone od proto-płytki. </li>
	<li>Sprawdź, czy sonda różnicowo-napięciowa i sonda prądowa nie mają przesunięć, gdy sonda prądowa jest podłączona do kanału 1, a sonda napięcia jest podłączona do kanału 2. </li>
	<li>Zwróć uwagę na współczynniki skalowania dla sondy różnicowej na samej sondzie i na lunecie. Ustaw sondę różnicową na 1/20, aby uzyskać lepszą rozdzielczość. </li>
	<li>Ustaw sondę prądową na 100 mV/A na samej sondzie i 1X na oscylomierzu. Pamiętaj, że te współczynniki skalowania muszą być używane podczas wykonywania obliczeń. </li>
	<li>Ustaw wyjście generatora funkcyjnego (złącze wyjściowe BNC 50 Ω) na szczyt 10 V i przebieg sinusoidalny 1000 Hz. Obserwuj przebieg za pomocą różnicy objętościtage sonda. </li>
	<li>Generator funkcyjny należy pozostawić włączony nawet po odłączeniu, ale należy unikać zwarcia jego zacisków. Wyłączenie generatora funkcji powoduje zresetowanie wielu ustawień. </li>
	<li>Podłącz sondy prądowe i napięciowe, aby zmierzyć vC i i. </li>
	<li>Sprawdź, czy obwód jest zgodny z oczekiwaniami i czy wszystkie połączenia są zachowane. </li>
	<li>Podłączyć generator funkcyjny do obwodu. </li>
	<li>Zrób zrzut ekranu zmierzonego prądu i napięcia z co najmniej trzema okresami pokazanymi oprócz wartości szczytowych lub skutecznych mierzonych sygnałów. </li>
	<li>Z menu "Wyświetlacz" na lunecie zmień format wyświetlania z "YT" na "XY". </li>
	<li>Obserwuj krzywą B-H, regulując pokrętła regulacji pionowej kanału 1 i kanału 2, aż krzywa będzie pasować do ekranu oscyloskopu. </li>
	<li>Aby zobaczyć bardziej stabilną krzywą, użyj opcji "persist" z menu wyświetlacza przy ustawieniu 1 lub 2 s.</li>
	<li>Zrób zrzut ekranu zmierzonej krzywej B-H. </li>
	<li>Dostosuj częstotliwość generatora funkcji do 120 Hz i ponownie wykonaj zrzut ekranu krzywej BH po dostosowaniu ustawień krzywej zgodnie z potrzebami. </li>
	<li>Odłącz generator funkcyjny i wyjmij cewkę indukcyjną. Pozostaw resztę obwodu w stanie nienaruszonym. </li>
</ol>
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10164/10164fig2.jpg"> 
Rysunek 2: Wymiary mniejszego rdzenia cewki indukcyjnej. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10164/10164fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku. </a>
2. Określanie liczby zwojów
Większa czarna cewka indukcyjna (Bourns 1140-472K-RC) ma nieznaną liczbę zwojów. Aby uprościć obliczenia, załóżmy, że rdzeń jest elektromagnesem z rdzeniem powietrznym o promieniu 1,5 cm i długości 2,5 cm. Jeśli to założenie nie zostanie przyjęte, trzeba będzie wziąć pod uwagę geometrię rdzenia, co skomplikuje obliczenia. Jednak to założenie jest nadal rozsądne, biorąc pod uwagę, że w przypadku elektrozaworu strumień musi przechodzić przez powietrze po obu stronach urządzenia, a powietrze jest dominującym ośrodkiem ścieżki strumienia. 
<ol>
	<li>Za pomocą miernika LCR zmierz indukcyjność dostarczonej cewki indukcyjnej zarówno przy 120 Hz, jak i 1000 Hz.</li>
	<li>Umieść cewkę indukcyjną w obwodzie pokazanym na rys. 1 , który powinien być nadal nienaruszony z poprzedniej części eksperymentu. </li>
	<li>Sprawdź, czy sonda różnicowo-napięciowa i sonda prądowa nie mają przesunięć, gdy sonda prądowa jest podłączona do kanału 1, a sonda napięcia jest podłączona do kanału 2. </li>
	<li>Zwróć uwagę na współczynniki skalowania dla sondy różnicowej na samej sondzie i na lunecie. Ustaw sondę różnicową na 1/20, aby uzyskać lepszą rozdzielczość. </li>
	<li>Ustaw sondę prądową na 100 mV/A na samej sondzie i 1X na oscylomierzu. Pamiętaj, że te współczynniki skalowania muszą być używane podczas wykonywania obliczeń z wykorzystaniem wszelkich pomiarów lub przechwytywania danych do dalszej analizy. </li>
	<li>Ustaw wyjście generatora funkcyjnego (złącze wyjściowe BNC 50 Ω) na szczyt 10 V i przebieg sinusoidalny 1000 Hz. Obserwuj przebieg za pomocą różnicy objętościtage sonda. </li>
	<li>Generator funkcyjny należy pozostawić włączony nawet po odłączeniu, ale należy unikać zwarcia jego zacisków. Wyłączenie generatora funkcji powoduje zresetowanie wielu ustawień. </li>
	<li>Podłącz sondy prądowe i napięciowe, aby zmierzyć vC i i. </li>
	<li>Sprawdź obwód i upewnij się, że połączenia są zgodne z oczekiwaniami. </li>
	<li>Podłączyć generator funkcyjny do obwodu. </li>
	<li>Zrób zrzut ekranu zmierzonego prądu i napięcia z co najmniej trzema okresami pokazanymi oprócz wartości szczytowych lub skutecznych mierzonych sygnałów. </li>
	<li>Z menu "wyświetlacz" na lunecie zmień format wyświetlania z "YT" na "XY". </li>
	<li>Obserwuj krzywą B-H, regulując pokrętła regulacji pionowej kanału 1 i kanału 2, aż krzywa będzie pasować do ekranu oscyloskopu. </li>
	<li>Aby zobaczyć bardziej stabilną krzywą, użyj opcji "persist" z menu wyświetlacza przy ustawieniu 1 lub 2 s.</li>
	<li>Zrób zrzut ekranu zmierzonej krzywej B-H. </li>
	<li>Dostosuj częstotliwość generatora funkcji do 120 Hz i ponownie wykonaj zrzut ekranu krzywej BH po dostosowaniu ustawień krzywej zgodnie z potrzebami. </li>
	<li>Wyłącz generator funkcyjny i zdemontuj obwód. </li>
</ol>
3. Krzywa B-H transformatora 60 Hz
Transformator użyty w tej demonstracji obniża wartość RMS ze 115 V do 24 V RMS, ale w tym eksperymencie może być używany tylko do charakterystyki krzywej B-H, dlatego używane są tylko zaciski 120 V RMS. Wymiary transformatora pokazano na rys. 3. 
<ol>
	<li>Za pomocą miernika LCR zmierz indukcyjność uzwojenia bocznego 115 V przy 120 Hz (bliżej znamionowych 60 Hz). </li>
	<li>Upewnij się, że odłącznik trójfazowy jest w pozycji wyłączonej. </li>
	<li>Podłącz kabel trójfazowy do VARIAC. </li>
	<li>Zbuduj obwód pokazany na rys. 4. Niech transformator usiądzie z boku proto-płyty. Użyj kabli bananowych, aby podłączyć AC1 i N z VARIAC do proto-płyty. </li>
	<li>Upewnij się, że zmienna wartość VARIAC jest ustawiona na 0%. </li>
	<li>Sprawdź, czy sonda różnicowo-napięciowa i sonda prądowa nie mają przesunięć, gdy sonda prądowa jest podłączona do kanału 1, a sonda napięcia jest podłączona do kanału 2. </li>
	<li>Zanotuj współczynniki skalowania dla sondy różnicowej na samej sondzie i na lunecie. Ustaw skalowanie sondy różnicowej na 1/200. </li>
	<li>Ustaw sondę prądową na 100 mV/A na samej sondzie i 1X na oscylomierzu. Pamiętaj, że te współczynniki skalowania muszą być używane podczas wykonywania obliczeń. </li>
	<li>Podłącz sondy prądowe i napięciowe, aby zmierzyć vC i i. </li>
	<li>Sprawdź obwód. </li>
	<li>Włącz odłącznik trójfazowy i powoli wyreguluj VARIAC, aż zostanie osiągnięte 90%. </li>
	<li>Zrób zrzut ekranu zmierzonego prądu i napięcia z co najmniej trzema okresami pokazanymi oprócz wartości szczytowych lub skutecznych mierzonych sygnałów. </li>
	<li>Z menu "Wyświetlacz" na lunecie zmień format wyświetlania z "YT" na "XY". </li>
	<li>Obserwuj krzywą B-H, regulując pokrętła regulacji pionowej kanału 1 i kanału 2, aż krzywa będzie pasować do ekranu oscyloskopu. </li>
	<li>Aby zobaczyć bardziej stabilną krzywą, użyj opcji "persist" z menu wyświetlacza przy ustawieniu 1 lub 2 s.</li>
	<li>Zrób zrzut ekranu zmierzonej krzywej B-H. </li>
	<li>Przywróć VARIAC do 0%, wyłącz odłącznik i zdemontuj obwód. </li>
</ol>
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10164/10164fig3.jpg"> 
Rysunek 3: Wymiary rdzenia transformatora. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10164/10164fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku. </a>
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/10164/10164fig4.jpg"> 
Rysunek 4: Obwód testowy do wyznaczenia krzywej B-H transformatora 60 Hz. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10164/10164fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku. </a>

Mimo, że induktorki i inne urządzenia elektromagnetyczne (np. transformatory) są bardzo powszechne w wielu systemach elektrycznych, elektronicznych i mechanicznych, zakup induktorków do konkretnego zastosowania nie jest trywialny. Nawet po zakupie cewki indukcyjnej informacje z arkusza danych mogą nadal zawierać niejasności dotyczące rzeczywistego materiału, liczby zwojów i innych szczegółów. Testy w tym eksperymencie są szczególnie przydatne dla inżynierów i techników, którzy planują zbudować własne cewki induk...

charakterystyka składników magnetycznych

Źródło: Ali Bazzi, Wydział Inżynierii Elektrycznej, Uniwersytet Connecticut, Storrs, CT.
Celem tego eksperymentu jest zdobycie praktycznego doświadczenia z różnymi komponentami magnetycznymi z perspektywy projektu i materiałów. Eksperyment ten obejmuje krzywe B-H materiału magnetycznego i konstrukcji cewki indukcyjnej poprzez identyfikację nieznanych czynników projektowych. Krzywa B-H elementu magnetycznego, takiego jak cewka indukcyjna lub transformator, jest cechą materiału magnetycznego tworzącego rdzeń, wokół którego owinięte są uzwojenia. Ta charakterystyka dostarcza informacji o gęstości strumienia magnetycznego, którą rdzeń może obsłużyć w odniesieniu do prądu płynącego w uzwojeniach. Dostarcza również informacji o ograniczeniach przed nasyceniem magnetycznie rdzenia, tj. gdy przepchnięcie większej ilości prądu przez cewkę prowadzi do braku dalszego przepływu strumienia magnetycznego.

Aby znaleźć względną przepuszczalność materiału rdzenia, można zastosować dwa podejścia. Pierwszym podejściem jest użycie miernika LCR, w którym mierzy się indukcyjność (L) cewki wykonanej o znanej liczbie zwojów (N), a następnie względną przepuszczalność można obliczyć w następujący sposób:
Niechęć rdzenia: <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/10164/10164eq7v2.jpg"> (7)
<p class="jove_content" fo:k...

Charakterystyka składników magnetycznych

Source: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT.
The objective of this experiment is to achieve hands-on ...

Elementy magnetyczne, takie jak cewki indukcyjne czy transformatory, mają charakterystyczne właściwości, które są zależne od materiału magnetycznego tworzącego rdzeń wewnątrz cewki. Kiedy prąd przepływa w cewce cewki indukcyjnej lub transformatora, wytwarza pole magnetyczne. Zdolność materiału rdzenia do utrzymywania pola magnetycznego, zwana jego przepuszczalnością, określa siłę pola, zwaną jego siłą magnesowania. Siła magnesowania wytwarza następnie strumień magnetyczny w rdzeniu cewki indukcyjnej. W cewkach indukcyjnych i transformatorach zależność między siłą magnesowania a gęstością strumienia jest definiowana jako strumień magnetyczny przez pole przekroju poprzecznego i może być analizowana za pomocą krzywej BH. Krzywa B-H opisuje materiał rdzenia i określa jego granicę nasycenia magnetycznego. Dzieje się tak, gdy dodatkowy prąd przepływający przez uzwojenia nie zwiększa już strumienia magnetycznego. Ten film ilustruje pomiar krzywych BH dla cewek indukcyjnych i transformatorów oraz charakterystykę materiału rdzenia i uzwojeń cewki indukcyjnej. Krzywa B-H pokazuje zależność między gęstością strumienia magnetycznego B a natężeniem pola magnetycznego H. Początkowo, wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego, gęstość strumienia również wzrasta do pewnej wartości maksymalnej. Po tym punkcie każdy wzrost natężenia pola magnetycznego nie powoduje znaczącego wzrostu gęstości strumienia magnetycznego i materiał uważa się za nasycony. Prawdziwe materiały magnetyczne wykazują histerezę, ponieważ materiał jest naprzemiennie namagnesowany w kierunku dodatnim i ujemnym. Oznacza to, że gdy natężenie pola magnetycznego zmniejsza się z powrotem do zera, pozostaje pewien magnetyzm szczątkowy. Obszar wewnątrz krzywej BH jest proporcjonalny do strat energii, ponieważ materiał jest namagnesowany w kierunku dodatnim i ujemnym. Ze względu na tę właściwość materiał o mniejszych stratach histerezy, taki jak stal, jest powszechnie stosowany w rdzeniach transformatorów. Krzywa B-H może być również używana do opisania przepuszczalności materiału, obliczanej jako stosunek gęstości strumienia magnetycznego do natężenia pola magnetycznego. Często jest ona związana z przepuszczalnością wolnej przestrzeni i dlatego nazywana jest przepuszczalnością względną. Materiały o bardzo niskiej podatności magnetycznej, takie jak drewno, mają niską przepuszczalność względną. Gdzie jako materiały o wysokiej podatności magnetycznej, takie jak żelazo, mają wysoką przepuszczalność względną. Aby utworzyć krzywą B-H, należy najpierw określić gęstość strumienia B. W tym celu mierzy się szybkość zmian strumienia, która jest względna w stosunku do napięcia na cewce za pomocą prawa Faradaya. Można to zidentyfikować za pomocą prostego obwodu RC umieszczonego równolegle z cewką. Bardziej szczegółowe informacje na temat tych obliczeń można znaleźć w protokole tekstowym. Natężenie pola magnetycznego lub H można znaleźć za pomocą prawa Ampera i mierzalnych zmiennych, prądu w cewce, liczby zwojów uzwojenia i średniej długości rdzenia. Krzywą B-H materiału można oszacować na podstawie pomiarów prądu i całki czasowej napięcia na elemencie. Gdy znana jest również liczba zwojów i wymiary elementów, można je przeskalować do wielkości rzeczywistych. Pokażmy teraz, jak mierzyć przepuszczalność względną i obliczać krzywe B-H. W tych eksperymentach mierzone są trzy składowe magnetyczne, mały cewka indukcyjna z rdzeniem ferrytowym, większa czarna cewka indukcyjna o nieznanej liczbie zwojów oraz transformator 60 Hz. Zacznij od małej cewki indukcyjnej o wymiarach jak pokazano, a uzwojenie obraca się liczbą 75. Najpierw zmierz indukcyjność cewki indukcyjnej przy 120 i 1,000 Hz za pomocą miernika LCR. Po drugie, zbuduj obwód, jak pokazano, utrzymując wyjście generatora funkcyjnego na poziomie 50 omów i odłączony kabel połączeniowy BNC. Następnie podłącz sondy różnicowego napięcia i prądu i sprawdź, czy nie ma przesunięć. Ustaw sondę różnicową na 120., aby uzyskać lepszą rozdzielczość. Na koniec ustaw sondę prądową na 100 miliwoltów na amper na sondzie i 1x na lunecie. I zwróć uwagę na te współczynniki skalowania do późniejszych obliczeń. Ustaw wyjście generatora funkcyjnego na kształt fali sinusoidalnej 1,000 Hz ze szczytem 10 woltów. Zmierz VC i I, podłącz generator funkcyjny i sprawdź, czy wszystkie połączenia obwodów są takie, jak pokazano. Następnie zapisz zmierzony prąd i napięcie. Na koniec zmień format wyświetlania oscyloskopu z yt na xy, aby wyświetlić krzywą B-H. Wyreguluj pokrętła regulacji pionowej kanału pierwszego i drugiego kanału, aż krzywa będzie pasować do ekranu oscyloskopu. Następnie ustabilizuj krzywą, ustawiając opcję utrwalania dla wyświetlacza. A następnie zrób zrzut ekranu krzywej. Na koniec dostosuj częstotliwość generatora funkcji do 120 Hz i ponownie wykonaj zrzut ekranu krzywej BH po dostosowaniu ustawień krzywej zgodnie z potrzebami. Na koniec odłącz generator funkcyjny i wyjmij cewkę indukcyjną. Pozostaw resztę obwodu w stanie nienaruszonym. Aby określić liczbę zwojów dla większej cewki indukcyjnej, najpierw zmierzmy jej krzywą B-H. Aby uprościć obliczenia, załóżmy, że rdzeń jest rdzeniem całkowicie powietrznym. Najpierw zmierz indukcyjność cewki indukcyjnej przy 120 i 1,000 Hz za pomocą miernika LCR. Następnie umieść cewkę indukcyjną w obwodzie RC. Zmierz krzywą BH dla większej cewki indukcyjnej, stosując tę samą procedurę, która została opisana dla małej cewki indukcyjnej. Obserwuj i zapisuj zmierzony prąd i napięcie. Wyświetla krzywą B-H. Dostosuj częstotliwość generatora funkcji do 120 Hz i dostosuj ustawienia krzywej zgodnie z potrzebami. Transformatory jednofazowe składają się z dwóch uzwojeń sprzężonych rdzeniem magnetycznym. Tutaj mierzona jest krzywa B-H dla transformatora 60 Hz. Za pomocą miernika LCR zmierz indukcyjność uzwojenia bocznego 115 V przy 120 Hz. Następnie zmontuj obwód, łącząc AC1 i N od variaka do strony pierwotnej transformatora przez obwód protoboard za pomocą kabli bananowych. Dostosuj współczynniki skalowania i parametry generatora funkcji zgodnie z wcześniejszym opisem. Przy zmiennym na 90 procentach zmierz prąd i napięcie. Następnie wyświetl i zapisz krzywą B-H. Jeśli znana jest liczba zwojów cewki, średnia długość rdzenia i pole przekroju poprzecznego, wówczas indukcyjność cewki jest mierzona bezpośrednio i można obliczyć względną przepuszczalność. Alternatywnie, zmierzona krzywa B-H może być użyta do określenia względnej przepuszczalności elementu, a następnie obliczenia liczby zwojów w zwoju. W obszarze liniowym krzywej B-H względną przepuszczalność można znaleźć na podstawie nachylenia. Korzystając z przepuszczalności względnej i biorąc pod uwagę, że indukcyjność i wymiary rdzenia są znane, liczbę zwojów można łatwo obliczyć za pomocą następującej zależności. Cewki indukcyjne i inne urządzenia elektromagnetyczne, takie jak transformatory, są powszechne w wielu systemach elektrycznych, elektronicznych i mechanicznych. Sieć energetyczna dostarcza energię elektryczną do odbiorców poprzez dystrybucję energii elektrycznej o wysokim napięciu na duże odległości za pośrednictwem linii przesyłowych. Wysokie napięcia są wymagane na duże odległości, aby skompensować straty energii. Transformatory są stosowane wzdłuż linii energetycznych w celu obniżenia wyższych napięć przesyłowych do niższych poziomów potrzebnych w stacjach dystrybucyjnych i do zasilania odbiorców końcowych. Transformatory przenoszą energię poprzez indukcję elektromagnetyczną, umożliwiając kontrolowane obniżanie napięcia przemiennego. Są one zwykle projektowane z rdzeniami stalowymi ze względu na wysoki punkt nasycenia magnetycznego stali. Magnes stojana indukuje wirujące pole magnetyczne w wirniku, powodując obracanie się wirnika. W rzeczywistości stojan jest uzwojeniem pierwotnym transformatora, a klatka wiewiórki uzwojeniem wtórnym. Silniki indukcyjne prądu przemiennego są używane w wielu różnych zastosowaniach. Silnik składa się z zewnętrznego nieruchomego magnesu uzwojonego i wewnętrznego ferromagnetycznego rdzenia wirnika. Zazwyczaj cylindryczny układ prętów przewodzących tworzących klatkę wiewiórki. Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie do charakterystyki składników magnetycznych JoVE. Powinieneś teraz zrozumieć, jak mierzyć krzywe BH cewek indukcyjnych i transformatorów, jednocześnie identyfikując nieznane czynniki projektowe, takie jak względna przepuszczalność i liczba zwojów. Dzięki za oglądanie.

Education

JoVE Science Education

Engineering

Inżynieria

Electrical Engineering

Elektrotechnika

b-h curves and inductor core limits

Magnetic components such as inductors and transformers depend on the core material around their windings. In this experiment, students get hands-on experience with these parts from both a design view and a material view.

The work focuses on B-H curves, which show the magnetic behavior of a material. A B-H curve describes the magnetic flux density the core can support as current flows through the windings. It also helps show the limit before magnetic saturation occurs.

Magnetic saturation means that adding more current to the coil no longer produces more magnetic flux in the core. The experiment also includes inductor design. Students identify unknown design factors by studying the magnetic component and its material response.

B-H Curves and Inductor Core Limits

electrical safety precautions and basic equipment

electrical-safety-precautions-and-basic-equipment

Safe Handling of High-Voltage Lab Power

Safe handling of high-voltage lab power is essential in electric machine and power electronics experiments. These labs involve electrical currents, voltages, power, and energy that require extreme care. The systems used in this work can include three-phase AC voltage at 208 V, 230 V, or 480 V. They may also use up to 250 V DC and currents that can reach 10 A. These levels can be dangerous if handled without proper attention. Electrocution can happen when electricity passes through the body.

characterization of magnetic components

Magnetic components such as inductors and transformers depend on the core material around their windings. In this experiment, students get hands-on experience with these parts from both a design view and a material view. The work focuses on B-H curves, which show the magnetic behavior of a material. A B-H curve describes the magnetic flux density the core can support as current flows through the windings. It also helps show the limit before magnetic saturation occurs. Magnetic saturation...

introduction to the power pole board

Power Pole Board for DC/DC Converter Labs

The HiRel Power Pole Board is a flexible tool for studying DC/DC converters. A DC/DC converter changes direct-current voltage and current from one level to another. In many cases, voltage conversion is the main goal. This board supports several converter types on one platform. It can be used to examine boost converters, which step voltage up, and buck converters, which step voltage down. It also helps students study buck-boost converters, which can step voltage up or down. The board is also...

dc/dc boost converter

Stepping Up DC Voltage with Boost Converters

DC voltage can be increased with a boost converter. This step-up circuit is useful in many applications where a DC source must be raised without first converting it to AC, using a transformer, and then rectifying the transformer output. A boost converter uses an inductor as an energy storage device. The inductor supports the output with extra energy in addition to the DC input source. That added energy raises the output voltage. This experiment studies several characteristics of a boost...

dc/dc buck converter

Buck Converter Step-Down DC Voltage

A DC/DC buck converter steps down DC voltage in an efficient, regulated way. Unlike transformers, which easily raise or lower AC voltage and current, DC systems need switching power converters to change voltage levels. The buck converter works by chopping the input DC voltage with a series input switch. An L-C low-pass filter then smooths the chopped signal and extracts the average output voltage. A diode gives the inductor current a path when the switch is off during part of the switching...

flyback converter

Flyback Converter Voltage Step-Up and Step-Down

A flyback converter is a buck-boost converter that can both step voltage up and step it down. It also provides electrical isolation between the input and the output by using a coupled inductor, or flyback transformer. The coupled inductor acts like a transformer with a turns ratio, but it also stores energy through the air gap. This setup gives the converter both voltage step-up and step-down capability. In the experiment, the converter is studied in open-loop operation with a manually set...

single phase transformers

Single Phase Transformer Testing

Single-phase transformers step up or step down AC voltage in electric power systems. They are stationary electric machines with primary and secondary coils, also called windings. The primary winding receives the applied voltage, and the secondary winding delivers the changed voltage. Inside the transformer, current in one winding creates magnetic flux in the core. This flux links the two windings and transfers energy between them. With AC current, the changing flux induces voltage in the...

single phase rectifiers

AC to DC Conversion with Rectifiers

Rectifiers convert AC power into DC power for electronic circuits. A DC power supply provides unidirectional voltage and current. Batteries can do this, but they are limited by lifetime and cost. Using a rectifier is another way to turn AC line power into DC power. A rectifier is a device that lets current pass in one direction and blocks it in the other. It works after a forward voltage threshold is reached. Rectifiers may use a diode, a silicon controlled rectifier, or other silicon P-N...

thyristor rectifier

Controlling SCR Half-Wave Rectification

Thyristors, also called silicon controlled rectifiers (SCRs), are used to control current in a rectifier circuit. Like diodes, they let current pass from the anode to the cathode and block current in the opposite direction. Unlike a diode, a thyristor can be turned on with a gate terminal that receives a small current pulse. A thyristor is a four-layer device with alternating n-type and p-type layers. These layers form a PNPN structure with three junctions. The device has three terminals. The...

single phase inverter

DC to AC Conversion with Half-Bridge Inverters

DC to AC conversion is the main idea behind a power inverter. DC power flows in one direction, while AC current changes direction at about 50-60 Hz. Many electronic devices are designed to run on AC power, so a DC source must be inverted before it can be used with them. An inverter makes this change through switching action. The switches repeatedly flip the polarity of the input DC source at the output, or load side, for part of a switching period. A typical power inverter needs a stable DC...

dc motors

DC Motors and Generator Action

DC machines use direct current and direct voltage to create motion or generate electricity. They were the first machines of this kind to be invented. A DC machine works with two magnetic fields that are controlled by DC currents, and the same machine can be set up as either a motor or a generator when the right field excitation is available. In a DC machine, the field is usually on the stator side and the armature is on the rotor side. That arrangement is the reverse of what is found in many...

ac induction motor characterization

Three-Phase Motor Equivalent Circuit Tests

Three-phase induction motor testing can be used to find equivalent circuit parameters. The experiment uses the per-phase equivalent circuit to model the motor. This model keeps the important behavior of the original system and makes calculations easier. The procedure uses tests similar to those used in transformer characterization. These measurements help estimate the motor's circuit values from its electrical response. The experiment also aims to operate the motor in the linear torque-speed...

vfd-fed ac induction machine

Variable Frequency Drive Speed Control

Variable frequency drives, or VFDs, control the speed of AC induction motors. They are a type of adjustable speed drive and are becoming standard equipment for powering most AC induction motors. In industrial and automation settings, VFDs can provide strong control of motor speed, torque, or position. This experiment focuses on speed control with open-loop operation. It uses constant voltage-to-frequency ratio control, also called V/f control. The motor usually operates at a rated stator flux,...

ac synchronous machine synchronization

Grid Connection of AC Synchronous Generators

AC synchronous generators are a major source of electrical power worldwide. They are three-phase, wound-rotor machines that are used in many power plants. These generators need a prime mover and an exciter to produce power. A prime mover is the device that spins the generator, often a turbine driven by fluid. That fluid can come from water flowing from a dam through a long nozzle or from steam made by burning coal. Most power plants use synchronous generators, including coal, nuclear, natural...

ac synchronous machine characterization

Three-Phase Synchronous Motor Starting and V-Curves

Three-phase synchronous motors and generators are important AC machines. Wound-rotor synchronous motors are less common than permanent magnet rotor synchronous motors because the rotor field uses brushes. Synchronous generators are much more common. They are used in most existing power plants because they provide excellent frequency and voltage regulation. A synchronous motor runs at the same speed as the stator magnetic field. This gives it almost 0% speed regulation, so the rotor speed stays...

electrical engineering

This collection starts with an electrical safety video that introduces the best practices for commonly used equipment in an electrical laboratory. Subsequent videos introduce elements such as inductors, transformers, convertors, rectifiers, and inverters.

Explore B-H curves, magnetic saturation, and inductor design as students study how core materials affect inductors and transformers in this hands-on experiment.

B-H Curves and Inductor Core Limits | JoVE K12

Ali Bazzi

Overview

Principles of Magnetic Component Characterization

Measuring Relative Permeability

Identifying the Number of Turns

B-H Curve of a 60 Hz Transformer

Representative Results

Applications

Summary

Electrical Safety Precautions and Basic Equipment

Source: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT.
Electric machines and power electronics experiments ...

Magnetic Fields

Source: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Magnetic fields can be ...

A moving charge or a current creates a magnetic field in the surrounding space, in addition to its electric field. The magnetic field exerts a force on ...

Solenoids

A solenoid is a conducting wire coated with an insulating material, wound tightly in the form of a helical coil. The magnetic field for a solenoid is the ...

Induction

An emf is induced when the magnetic field in a coil is changed by pushing a bar magnet into or out of the coil. emfs of opposite signs are produced by ...

Faraday's Law

Faraday&#39;s law state that the induced emf is the negative change in the magnetic flux per unit of time. Any change in the magnetic field or change in ...

Lenz's Law

The direction in which the induced emf drives the current around a wire loop can be found through the negative sign. However, it is usually easier to ...

Electric Generator: Alternator

Electric generators induce an emf by rotating a coil in a magnetic field. A simple alternator is an AC generator that creates electrical energy that ...

Magnetic Field due to Moving Charges

A stationary charge creates and interacts with the electric field, while a moving charge creates a magnetic field.
Consider a point charge moving with a ...

Magnetic Field of a Solenoid

A solenoid is a conducting wire coated with an insulating material, wound tightly in the form of a helical coil. The magnetic field due to a solenoid is ...

Magnetic Flux

The magnetic flux measures the number of magnetic field lines passing through a given surface area. The SI unit for magnetic flux is the weber (Wb). ...

Magnetic Force

In addition to the electric forces between electric charges, moving electric charges exert magnetic forces on each other. A magnetic field is created by a ...

DC Generator

An alternator converts mechanical energy into electrical energy that varies sinusoidally, resulting in AC current. Meanwhile, a DC generator converts ...

Plan and carry out investigations to design, build, and refine a device that works within given constraints to demonstrate that an electric current can produce a magnetic field and that a changing magnetic field can produce an electric current.

B-H Curves and Inductor Core Limits

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards