Charakterisierung der magnetische Komponenten

Electrical Engineering

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Overview

Quelle: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT.

Das Ziel dieses Experiments ist es, praktische Erfahrungen mit verschiedenen magnetischen Komponenten aus Design und Material Perspektiven zu erreichen. Dieses Experiment umfasst B-H-Kurven aus magnetischem Material und Induktor Design durch Identifizierung von unbekannten Designfaktoren. Die B-H-Kurve ein magnetisches Element, wie z. B. ein Induktor oder Transformator, ist ein Merkmal des magnetischen Materials bilden den Kern, um den Wicklungen gewickelt werden. Diese Eigenschaft enthält Informationen über die magnetische Flussdichte, die der Kern in Bezug auf den Strom in den Wicklungen verarbeiten kann. Darüber hinaus Informationen über Grenzen, bevor der Kern magnetisch, d.h. gesättigt ist wenn mehr Strom durch die Spule schieben zu Stromstille weitere magnetische Fluss führt.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Elektrotechnik und Informationstechnik. Charakterisierung der magnetische Komponenten. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Die B-H-Kurve kann mit einer einfachen Schaltung identifiziert werden. (H) ist mit Ampere Gesetz, die Intensität des magnetischen Flusses proportional zum Strom in einer Spule; zum Beispiel für eine einzelne N-Spule trägt einen Strom (ich) umwickelt einen Kern der durchschnittlichen Länge (l) und Querschnittsfläche (A), Ampere Gesetz Erträgen, drehen

Equation 1(1)

Darüber hinaus kann die Spannung über der Spule (V) durch die Flux-Rate der Veränderung Dφ/dt mit Faradaysches Gesetz bestimmt werden. Für die gleiche Spule, wie oben beschrieben,

Equation 2(2)

Die Flussdichte (B) wird auch als definiert,

Equation 3(3)

Das kann so geschrieben werden,

Equation 4(4)

Daher können einzuschätzen, die B-H-Kurve eines Materials, ich und das Zeitintegral V verwendet werden. Zurück zum eigentlichen B und H Mengen Skalierung ist möglich, wenn N, lund A bekannt sind.

Um das Zeitintegral des vzu messen, kann eine einfache RC Schaltung parallel mit der Spule werden verwendet (Abb. 1). Der R-C-Teiler müsste R >> XC bei der Betriebsfrequenz so, dass VRV. Mit dieser Annahme, gibt Messung der Kondensator Spannung VC eine angemessene Annäherung an das Zeitintegral der V seit,

Equation 5(5)

Die negativen Vorzeichen gilt für Domäne Zeitanzeige aber sollte gelöscht werden, beim Umgang mit RMS und Peak Mengen, so ist es üblich, zu verwenden,

Equation 6(6)

Figure 1
Abbildung 1: Testen Schaltung zu bestimmen, die B-H-Kurve eines Induktors. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Procedure

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.

  1. Messen Sie einen LCR-Meter die Induktivität des Induktors 120 Hz und 1000 Hz.
  2. Die Schaltung in Abb. 1 auf einem Proto-Board zu bauen, aber die Funktion Generatorleistung getrennt aus dem Proto-Vorstand halten.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Abgeben Sie der Funktionsgenerator, selbst wenn getrennt, aber vermeiden Sie Kurzschließen der Klemmen. Der Funktionsgenerator ausschalten, wird viele Einstellungen zurückgesetzt.
  8. Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung VC und i.
  9. Überprüfen Sie, dass die Schaltung wie gewünscht und alle Verbindungen werden beibehalten.
  10. Der Funktionsgenerator an den Stromkreis anschließen.
  11. 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.
  12. Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
  13. Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
  14. Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
  15. Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
  16. 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.
  17. Der Funktionsgenerator lösen und Entfernen des Induktors. Den Rest der Strecke intakt zu halten.

Figure 2
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.

  1. Mit dem LCR-Meter, Messen Sie die Induktivität der bereitgestellten Induktivität bei 120 Hz und 1000 Hz.
  2. Ort der Induktor in der Schaltung in Abb. 1 gezeigt, noch intakt aus dem vorherigen Teil des Experiments sein sollten.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Abgeben Sie der Funktionsgenerator, selbst wenn getrennt, aber vermeiden Sie Kurzschließen der Klemmen. Der Funktionsgenerator ausschalten, wird viele Einstellungen zurückgesetzt.
  8. Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung VC und i.
  9. Überprüfen Sie die Schaltung, und stellen Sie sicher, dass Verbindungen wie gewünscht.
  10. Der Funktionsgenerator an den Stromkreis anschließen.
  11. 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.
  12. Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
  13. Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
  14. Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
  15. Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
  16. 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.
  17. 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.

  1. Mit dem LCR-Meter messen die Induktivität der Wicklung bei 120 Hz 115 V-Seite (näher an der bewerteten 60 Hz).
  2. Sicherstellen Sie, dass der drei-Phasen-Trennschalter ausgeschaltet ist.
  3. Drehstrom-Kabel an den VARIAC.
  4. 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.
  5. Stellen Sie sicher, dass die VARIAC auf 0 % eingestellt ist.
  6. 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.
  7. Notieren Sie sich die Skalierungsfaktoren für Differenzialfühler auf die Sonde selbst und über den Umfang. Legen Sie die Skalierung auf 1/200 Differenzialfühler.
  8. 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.
  9. Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung VC und i.
  10. Überprüfen Sie die Schaltung.
  11. Schalten Sie der Drehstrom-Trennschalter ein, und einstellen Sie langsam der VARIAC bis 90 % erreicht wird.
  12. 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.
  13. Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
  14. Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
  15. Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
  16. Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
  17. Wiederherstellen Sie der VARIAC auf 0 %, schalten Sie den Trennschalter aus und zerlegen Sie die Schaltung zu.

Figure 3
Abbildung 3 : Dimensionen des Transformators Kerns. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
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, z. B. Spulen oder Transformatoren, haben charakteristische Eigenschaften, die das magnetische Material bilden den Kern im Inneren der Spule abhängig sind. Wenn Strom in einer Induktivität oder Transformator-Spule fließt, erzeugt es ein magnetisches Feld. Die Fähigkeit des Kernmaterials, das magnetische Feld, bezeichnet die Durchlässigkeit zu halten bestimmt die Stärke des Feldes, seine magnetisierende Kraft genannt. Die magnetisirende Kraft erzeugt dann magnetischen Fluss im Kern Induktivität. In Spulen und Transformatoren das Verhältnis zwischen Kraft und Flussdichte Magnetisierungsstrom ist definiert als der magnetische Fluss durch eine Querschnittsfläche und mithilfe einer B-H-Kurve analysiert werden kann. Die B-H-Kurve beschreibt das Kernmaterial und seine magnetischen Sättigungsgrenze identifiziert. Dies tritt auf, wenn zusätzliche Strom durch die Wicklungen nicht mehr magnetischen Flusses erhöht. Dieses Video zeigt die Messung der BH-Kurven für Spulen und Transformatoren und die Charakterisierung der Kern Material und Drosselspule Wicklungen.

Eine B-H-Kurve zeigt das Verhältnis der magnetischen Flussdichte B und magnetische Feldstärke H. Zunächst mit zunehmender Stärke des Magnetfeldes erhöht die Flussdichte auch auf einen bestimmten Maximalwert. Nach diesem Punkt, Erhöhung der Magnetfeldstärke Ergebnisse in keine signifikante Zunahme der magnetischen Flussdichte und das Material angesehen wird gesättigt. Echte magnetische Materialien zeigen Hysterese, wie das Material abwechselnd in positive und negative Richtung magnetisiert ist. Dies bedeutet, dass die magnetische Feldstärke zurück zu reduzieren ist Null, einige Restmagnetismus bleibt. Der Bereich innerhalb der B-H-Kurve ist proportional zu den Energieverlust, wie das Material in positive und negative Richtung magnetisiert ist. Ein Material mit niedriger Hysterese Verlust, wie Stahl, wird häufig in Transformatorkernen aufgrund dieser Eigenschaft verwendet. Die B-H-Kurve kann auch zur Durchlässigkeit eines Materials, berechnet als Verhältnis der magnetischen Flussdichte, magnetische Feldstärke zu beschreiben. Es ist oft im Zusammenhang mit der Permeabilität des freien Speicherplatzes und damit relative Permeabilität bezeichnet. Materialien mit sehr niedrigen magnetischen Suszeptibilität, wie Holz, haben eine niedrige relative Permeabilität. Wo, wie Materialien mit hohen magnetischen Suszeptibilität, wie Eisen, haben Sie eine hohe relative Permeabilität. Um einen B-H-Kurve zu erstellen, muss zunächst die Flussdichte B, ermittelt werden. Dafür ist die Flussmittel Änderungsrate gemessen, die ist im Verhältnis zu der Spannung über der Spule mit Faradaysches Gesetz. Dies kann mit einer einfachen RC-Schaltung parallel mit der Spule identifiziert werden. Nähere Informationen zu diesen Berechnungen entnehmen Sie bitte dem Text Protokoll. Die magnetische Feldstärke oder H, finden Sie mit Ampere Gesetz und messbare Variablen, der Strom in der Spule, die Anzahl der verschlungenen Drehungen und die durchschnittliche Länge des Kerns. Die B-H-Kurve eines Materials kann aus Messungen von Strom und das Zeitintegral der Spannung über dem Element geschätzt werden. Wenn die Anzahl der Windungen und die Abmessungen der Elemente auch bekannt sind, können diese Istmengen skaliert werden. Nun, lassen Sie uns zeigen, wie relative Permeabilität zu messen und berechnen von B-H-Kurven.

In diesen Experimenten werden drei magnetische Komponenten gemessen, eine kleine Induktivität mit einem Ferrit-Kern, einen größeren schwarzen Induktor mit einer unbekannten Anzahl von Umdrehungen und eine 60 Hz-Transformator. Beginnen Sie mit der kleinen Induktor mit Dimensionen wie gezeigt und gewundenen Kurven verschiedener 75. Messen Sie zunächst die Induktivität Induktivität bei 120 und 1000 Hz mit einem LCR-Meter. Zweitens, die Schaltung zu bauen, wie gezeigt, halten der Funktionsgenerator Ausgang 50 Ohm und die BNC Stecker Kabel nicht angeschlossen. Als nächstes verbinden Sie die differentielle Spannung und Stromzangen und überprüfen Sie, dass es keine Versätze. Legen Sie die Differenzialfühler auf 120. für eine bessere Auflösung. Legen Sie abschließend die Stromzange zu 100 Millivolt pro Amp auf die Sonde und 1 X über den Umfang. Und beachten Sie diese Skalierungsfaktoren für spätere Berechnungen. Legen Sie die Funktion Generatorleistung auf eine Wellenform von 1000 Hz Sinus Soto mit einer 10-Volt Spitze. Messen Sie VC und ich, verbinden Sie der Funktionsgenerator und überprüfen Sie, ob alle Verbindungen der Schaltung sind wie gezeigt. Notieren Sie den gemessenen Strom und Spannung. Schließlich ändern Sie das Oszilloskop-Anzeigeformat von yt nach Xy, die B-H-Kurve anzuzeigen. Passen Sie Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt. Als nächstes stabilisieren Sie die Kurve durch Festlegen der Persist-Option für die Anzeige. Und dann nehmen Sie einen Screenshot der Kurve. Schließlich stellen Sie die Funktion Generator Frequenz von 120 Hz und den B-H-Kurve-Screenshot nach der Kurve einstellen, je nach Bedarf zu wiederholen. Schließlich trennen Sie der Funktionsgenerator und entfernen Sie die Induktivität zu. Den Rest der Strecke intakt zu halten.

Um die Anzahl der Umdrehungen für die größere Induktivität zu bestimmen, lassen Sie uns zuerst messen seine B-H-Kurve. Um Berechnungen zu vereinfachen, nehme an der Kern eines All-Luftkern. Messen Sie zunächst die Induktivität Induktivität bei 120 und 1000 Hz mit dem LCR-Meter. Legen Sie dann die Induktivität in der RC-Schaltung. Die B-H-Kurve für die größere Induktivität mit dem gleichen Verfahren beschrieben, für die kleine Induktivität zu messen. Beobachten Sie und notieren Sie den gemessenen Strom und Spannung. Die B-H-Kurve anzeigen Stellen Sie die Funktion Generator Frequenz von 120 Hz und passen Sie die Kurveneinstellungen nach Bedarf an.

Einphasen-Transformatoren bestehen aus zwei Wicklungen, die durch einen Magnetkern gekoppelt. Hier ist die B-H-Kurve für 60 Hz Transformators gemessen. Mit dem LCR-Meter, Messen Sie die Induktivität der Wicklung bei 120 Hz 115-Volt-Seite. Dann montieren Sie die Schaltung von AC1 und N aus dem variac mit Trafo primärseitig durch die Lochrasterplatinen Schaltung mit Banane Kabel verbinden. Passen Sie die Skalierungsfaktoren und funktionieren Sie Generatorparameter wie oben beschrieben. Messen Sie mit dem variac bei 90 Prozent Strom und Spannung. Dann, Anzeige und Aufzeichnung der B-H-Kurve.

Wenn die Anzahl der Windungen der Spule, durchschnittliche Kernlänge und Querschnittsfläche bekannt sind, dann die Induktivität der Spule direkt gemessen wird, und die relative Permeabilität kann berechnet werden. Alternativ kann eine gemessene B-H-Kurve relative Permeabilität eines Elements ermitteln und berechnen Sie die Anzahl der Windungen in der Spule verwendet werden. In der linearen Region B-H-Kurve finden Sie die relative Permeabilität von der Piste. Verwenden relative Permeabilität und angesichts der Tatsache, dass die Induktivität und Kern Maße bekannt sind, die Anzahl der Umdrehungen kann leicht berechnet werden unter Zugrundelegung der folgenden Beziehung.

Induktoren und andere elektromagnetische Geräte, wie Transformatoren, sind häufig in vielen elektrischen, elektronischen und mechanischen Systemen. Das Stromnetz liefert Strom für die Verbraucher durch die Verteilung der Hochspannung Strom über weite Entfernungen über Freileitungen. Hohe Spannungen müssen über weite Entfernungen, um Energieverluste zu kompensieren. Transformatoren werden entlang Stromleitungen verwendet, um die höheren Spannungen der Übertragung auf den unteren Ebenen benötigt Verteilerstationen und für Endbenutzer Lieferung abtreten. Transformatoren übertragen Energie durch elektromagnetische Induktion, Aktivierung den kontrollierten Schritt nach unten von Wechselspannungen. Sie sind häufig mit Stahlkerne wegen Steels hohe magnetische Sättigung ausgelegt. Der Stator Magnet induziert ein rotierendes Magnetfeld im Rotor verursacht des Rotors zu drehen. Der Stator ist gewissermaßen die Primärwicklung eines Transformators und Käfigläufer, die Sekundärwicklung. AC-Asynchronmotoren sind in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Der Motor besteht aus einer äußeren stationäre Wunde Magnet und ferromagnetischen Kern des Rotors. In der Regel eine zylindrische Anordnung der leitfähigen Bars bilden die Käfigläufer.

Sie habe nur Jupiters Einführung in die Charakterisierung von magnetischen Komponenten beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie nach Maß B-H Kurven von Spulen und Transformatoren, bei der Identifizierung von unbekannten Faktoren wie relative Permeabilität entwerfen und Zahl drehen. Danke fürs Zuschauen.

Results

Um die relative Permeabilität des Kernmaterials zu finden, können zwei Ansätze verwendet werden. Der erste Ansatz ist zu verwenden eine LCR-Meter, die Induktivität (L) von einer Spule, die mit einer bekannten Anzahl von Umdrehungen (N) gemessen, wobei dann die relative Permeabilität kann wie folgt berechnet werden:

Zurückhaltung des Kerns: Equation 7 (7)

Die relative Permeabilität (µ-R) ist also:

Equation 8(8)

wo µo ist die Permeabilität des Vakuums, l ist die durchschnittliche Kernlänge in m und A ist die Kern-Querschnittsfläche in m2.

Zum Beispiel wenn ein Ringkern, mit einer inneren Radius R1 verwendet wird= 1 cm, einem Außenradius R2= 2 cm, eine Querschnittsfläche von 1 cm2und der LCR Meter mal gelesen 1 µH für 10 Umdrehungen, dann:

l= 2π (R2-R-1) = 2π cm, Equation 9 , und µR= 50.000.

Die zweite Methode verwendet die gemessenen B-H-Kurve. In der linearen Region, die entweder sichtbar oder angenähert ist, die relative Permeabilität finden Sie von der Piste (B = µRµoH) für jede Frequenz. Um B und H -Werte zu finden, sollte die entsprechende Skalierung für Sonde Faktoren, Schaltelemente und Kerndimensionen mit früheren Messungen durchgeführt werden.

In einem Ansatz ähnlich zu finden, die relative Permeabilität die Anzahl der Umdrehungen finden Sie wenn die relative Permeabilität unbekannt ist. Dies kann erreicht werden durch die Manipulation der vorherigen Gleichungen um Nzu finden.

Für Ferrite ist µR in der Größenordnung von mehreren tausend, während für Stahl und Legierungen, µf in der Größenordnung von Dutzenden oder Hunderten ist.

Applications and Summary

Obwohl Induktoren und andere elektro-magnetische Geräte (z.B. Transformatoren) in vielen elektrischen, elektronischen und mechanischen Systemen weit verbreitet sind, ist es nicht trivial, Induktoren für eine bestimmte Anwendung zu kaufen. Auch bei eine Induktivität gekauft wird, möglicherweise Datenblatt Informationen noch Unklarheiten auf dem Material, Anzahl der Windungen und andere Details. Die Tests in diesem Experiment eignen sich besonders für Ingenieure und Techniker planen, bauen ihre eigenen Induktoren oder handelsübliche diejenigen zu charakterisieren. Dies ist häufig bei Power-Elektronik-Anwendungen (z.B. DC/DC-Wandler) sowie Elektromotor Antriebsanwendungen (z.B. AC Filter Induktoren), wo weitere Informationen in der hand über den Induktor erwünscht.

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.

  1. Messen Sie einen LCR-Meter die Induktivität des Induktors 120 Hz und 1000 Hz.
  2. Die Schaltung in Abb. 1 auf einem Proto-Board zu bauen, aber die Funktion Generatorleistung getrennt aus dem Proto-Vorstand halten.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Abgeben Sie der Funktionsgenerator, selbst wenn getrennt, aber vermeiden Sie Kurzschließen der Klemmen. Der Funktionsgenerator ausschalten, wird viele Einstellungen zurückgesetzt.
  8. Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung VC und i.
  9. Überprüfen Sie, dass die Schaltung wie gewünscht und alle Verbindungen werden beibehalten.
  10. Der Funktionsgenerator an den Stromkreis anschließen.
  11. 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.
  12. Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
  13. Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
  14. Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
  15. Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
  16. 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.
  17. Der Funktionsgenerator lösen und Entfernen des Induktors. Den Rest der Strecke intakt zu halten.

Figure 2
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.

  1. Mit dem LCR-Meter, Messen Sie die Induktivität der bereitgestellten Induktivität bei 120 Hz und 1000 Hz.
  2. Ort der Induktor in der Schaltung in Abb. 1 gezeigt, noch intakt aus dem vorherigen Teil des Experiments sein sollten.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Abgeben Sie der Funktionsgenerator, selbst wenn getrennt, aber vermeiden Sie Kurzschließen der Klemmen. Der Funktionsgenerator ausschalten, wird viele Einstellungen zurückgesetzt.
  8. Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung VC und i.
  9. Überprüfen Sie die Schaltung, und stellen Sie sicher, dass Verbindungen wie gewünscht.
  10. Der Funktionsgenerator an den Stromkreis anschließen.
  11. 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.
  12. Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
  13. Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
  14. Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
  15. Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
  16. 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.
  17. 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.

  1. Mit dem LCR-Meter messen die Induktivität der Wicklung bei 120 Hz 115 V-Seite (näher an der bewerteten 60 Hz).
  2. Sicherstellen Sie, dass der drei-Phasen-Trennschalter ausgeschaltet ist.
  3. Drehstrom-Kabel an den VARIAC.
  4. 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.
  5. Stellen Sie sicher, dass die VARIAC auf 0 % eingestellt ist.
  6. 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.
  7. Notieren Sie sich die Skalierungsfaktoren für Differenzialfühler auf die Sonde selbst und über den Umfang. Legen Sie die Skalierung auf 1/200 Differenzialfühler.
  8. 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.
  9. Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung VC und i.
  10. Überprüfen Sie die Schaltung.
  11. Schalten Sie der Drehstrom-Trennschalter ein, und einstellen Sie langsam der VARIAC bis 90 % erreicht wird.
  12. 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.
  13. Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
  14. Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
  15. Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
  16. Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
  17. Wiederherstellen Sie der VARIAC auf 0 %, schalten Sie den Trennschalter aus und zerlegen Sie die Schaltung zu.

Figure 3
Abbildung 3 : Dimensionen des Transformators Kerns. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
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, z. B. Spulen oder Transformatoren, haben charakteristische Eigenschaften, die das magnetische Material bilden den Kern im Inneren der Spule abhängig sind. Wenn Strom in einer Induktivität oder Transformator-Spule fließt, erzeugt es ein magnetisches Feld. Die Fähigkeit des Kernmaterials, das magnetische Feld, bezeichnet die Durchlässigkeit zu halten bestimmt die Stärke des Feldes, seine magnetisierende Kraft genannt. Die magnetisirende Kraft erzeugt dann magnetischen Fluss im Kern Induktivität. In Spulen und Transformatoren das Verhältnis zwischen Kraft und Flussdichte Magnetisierungsstrom ist definiert als der magnetische Fluss durch eine Querschnittsfläche und mithilfe einer B-H-Kurve analysiert werden kann. Die B-H-Kurve beschreibt das Kernmaterial und seine magnetischen Sättigungsgrenze identifiziert. Dies tritt auf, wenn zusätzliche Strom durch die Wicklungen nicht mehr magnetischen Flusses erhöht. Dieses Video zeigt die Messung der BH-Kurven für Spulen und Transformatoren und die Charakterisierung der Kern Material und Drosselspule Wicklungen.

Eine B-H-Kurve zeigt das Verhältnis der magnetischen Flussdichte B und magnetische Feldstärke H. Zunächst mit zunehmender Stärke des Magnetfeldes erhöht die Flussdichte auch auf einen bestimmten Maximalwert. Nach diesem Punkt, Erhöhung der Magnetfeldstärke Ergebnisse in keine signifikante Zunahme der magnetischen Flussdichte und das Material angesehen wird gesättigt. Echte magnetische Materialien zeigen Hysterese, wie das Material abwechselnd in positive und negative Richtung magnetisiert ist. Dies bedeutet, dass die magnetische Feldstärke zurück zu reduzieren ist Null, einige Restmagnetismus bleibt. Der Bereich innerhalb der B-H-Kurve ist proportional zu den Energieverlust, wie das Material in positive und negative Richtung magnetisiert ist. Ein Material mit niedriger Hysterese Verlust, wie Stahl, wird häufig in Transformatorkernen aufgrund dieser Eigenschaft verwendet. Die B-H-Kurve kann auch zur Durchlässigkeit eines Materials, berechnet als Verhältnis der magnetischen Flussdichte, magnetische Feldstärke zu beschreiben. Es ist oft im Zusammenhang mit der Permeabilität des freien Speicherplatzes und damit relative Permeabilität bezeichnet. Materialien mit sehr niedrigen magnetischen Suszeptibilität, wie Holz, haben eine niedrige relative Permeabilität. Wo, wie Materialien mit hohen magnetischen Suszeptibilität, wie Eisen, haben Sie eine hohe relative Permeabilität. Um einen B-H-Kurve zu erstellen, muss zunächst die Flussdichte B, ermittelt werden. Dafür ist die Flussmittel Änderungsrate gemessen, die ist im Verhältnis zu der Spannung über der Spule mit Faradaysches Gesetz. Dies kann mit einer einfachen RC-Schaltung parallel mit der Spule identifiziert werden. Nähere Informationen zu diesen Berechnungen entnehmen Sie bitte dem Text Protokoll. Die magnetische Feldstärke oder H, finden Sie mit Ampere Gesetz und messbare Variablen, der Strom in der Spule, die Anzahl der verschlungenen Drehungen und die durchschnittliche Länge des Kerns. Die B-H-Kurve eines Materials kann aus Messungen von Strom und das Zeitintegral der Spannung über dem Element geschätzt werden. Wenn die Anzahl der Windungen und die Abmessungen der Elemente auch bekannt sind, können diese Istmengen skaliert werden. Nun, lassen Sie uns zeigen, wie relative Permeabilität zu messen und berechnen von B-H-Kurven.

In diesen Experimenten werden drei magnetische Komponenten gemessen, eine kleine Induktivität mit einem Ferrit-Kern, einen größeren schwarzen Induktor mit einer unbekannten Anzahl von Umdrehungen und eine 60 Hz-Transformator. Beginnen Sie mit der kleinen Induktor mit Dimensionen wie gezeigt und gewundenen Kurven verschiedener 75. Messen Sie zunächst die Induktivität Induktivität bei 120 und 1000 Hz mit einem LCR-Meter. Zweitens, die Schaltung zu bauen, wie gezeigt, halten der Funktionsgenerator Ausgang 50 Ohm und die BNC Stecker Kabel nicht angeschlossen. Als nächstes verbinden Sie die differentielle Spannung und Stromzangen und überprüfen Sie, dass es keine Versätze. Legen Sie die Differenzialfühler auf 120. für eine bessere Auflösung. Legen Sie abschließend die Stromzange zu 100 Millivolt pro Amp auf die Sonde und 1 X über den Umfang. Und beachten Sie diese Skalierungsfaktoren für spätere Berechnungen. Legen Sie die Funktion Generatorleistung auf eine Wellenform von 1000 Hz Sinus Soto mit einer 10-Volt Spitze. Messen Sie VC und ich, verbinden Sie der Funktionsgenerator und überprüfen Sie, ob alle Verbindungen der Schaltung sind wie gezeigt. Notieren Sie den gemessenen Strom und Spannung. Schließlich ändern Sie das Oszilloskop-Anzeigeformat von yt nach Xy, die B-H-Kurve anzuzeigen. Passen Sie Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt. Als nächstes stabilisieren Sie die Kurve durch Festlegen der Persist-Option für die Anzeige. Und dann nehmen Sie einen Screenshot der Kurve. Schließlich stellen Sie die Funktion Generator Frequenz von 120 Hz und den B-H-Kurve-Screenshot nach der Kurve einstellen, je nach Bedarf zu wiederholen. Schließlich trennen Sie der Funktionsgenerator und entfernen Sie die Induktivität zu. Den Rest der Strecke intakt zu halten.

Um die Anzahl der Umdrehungen für die größere Induktivität zu bestimmen, lassen Sie uns zuerst messen seine B-H-Kurve. Um Berechnungen zu vereinfachen, nehme an der Kern eines All-Luftkern. Messen Sie zunächst die Induktivität Induktivität bei 120 und 1000 Hz mit dem LCR-Meter. Legen Sie dann die Induktivität in der RC-Schaltung. Die B-H-Kurve für die größere Induktivität mit dem gleichen Verfahren beschrieben, für die kleine Induktivität zu messen. Beobachten Sie und notieren Sie den gemessenen Strom und Spannung. Die B-H-Kurve anzeigen Stellen Sie die Funktion Generator Frequenz von 120 Hz und passen Sie die Kurveneinstellungen nach Bedarf an.

Einphasen-Transformatoren bestehen aus zwei Wicklungen, die durch einen Magnetkern gekoppelt. Hier ist die B-H-Kurve für 60 Hz Transformators gemessen. Mit dem LCR-Meter, Messen Sie die Induktivität der Wicklung bei 120 Hz 115-Volt-Seite. Dann montieren Sie die Schaltung von AC1 und N aus dem variac mit Trafo primärseitig durch die Lochrasterplatinen Schaltung mit Banane Kabel verbinden. Passen Sie die Skalierungsfaktoren und funktionieren Sie Generatorparameter wie oben beschrieben. Messen Sie mit dem variac bei 90 Prozent Strom und Spannung. Dann, Anzeige und Aufzeichnung der B-H-Kurve.

Wenn die Anzahl der Windungen der Spule, durchschnittliche Kernlänge und Querschnittsfläche bekannt sind, dann die Induktivität der Spule direkt gemessen wird, und die relative Permeabilität kann berechnet werden. Alternativ kann eine gemessene B-H-Kurve relative Permeabilität eines Elements ermitteln und berechnen Sie die Anzahl der Windungen in der Spule verwendet werden. In der linearen Region B-H-Kurve finden Sie die relative Permeabilität von der Piste. Verwenden relative Permeabilität und angesichts der Tatsache, dass die Induktivität und Kern Maße bekannt sind, die Anzahl der Umdrehungen kann leicht berechnet werden unter Zugrundelegung der folgenden Beziehung.

Induktoren und andere elektromagnetische Geräte, wie Transformatoren, sind häufig in vielen elektrischen, elektronischen und mechanischen Systemen. Das Stromnetz liefert Strom für die Verbraucher durch die Verteilung der Hochspannung Strom über weite Entfernungen über Freileitungen. Hohe Spannungen müssen über weite Entfernungen, um Energieverluste zu kompensieren. Transformatoren werden entlang Stromleitungen verwendet, um die höheren Spannungen der Übertragung auf den unteren Ebenen benötigt Verteilerstationen und für Endbenutzer Lieferung abtreten. Transformatoren übertragen Energie durch elektromagnetische Induktion, Aktivierung den kontrollierten Schritt nach unten von Wechselspannungen. Sie sind häufig mit Stahlkerne wegen Steels hohe magnetische Sättigung ausgelegt. Der Stator Magnet induziert ein rotierendes Magnetfeld im Rotor verursacht des Rotors zu drehen. Der Stator ist gewissermaßen die Primärwicklung eines Transformators und Käfigläufer, die Sekundärwicklung. AC-Asynchronmotoren sind in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Der Motor besteht aus einer äußeren stationäre Wunde Magnet und ferromagnetischen Kern des Rotors. In der Regel eine zylindrische Anordnung der leitfähigen Bars bilden die Käfigläufer.

Sie habe nur Jupiters Einführung in die Charakterisierung von magnetischen Komponenten beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie nach Maß B-H Kurven von Spulen und Transformatoren, bei der Identifizierung von unbekannten Faktoren wie relative Permeabilität entwerfen und Zahl drehen. Danke fürs Zuschauen.

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