Charakterystyka składników magnetycznych

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.